BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Konsep V Piston Engine
2.1.1 Definisi Reciprocating Engine
Reciprocating Engine (Mesin Bakar Torak) adalah salah satu motor bakar yang menggunakan satu atau lebih torak atau piston yang bergerak, yang tujuannya untuk mengubah tekanan menjadi gerak melingkar (http://id.wikipedia.org/wiki/Motor_bakar _torak). Mesin bakar torak terbagi menjadi beberapa tipe permesinanan yaitu mesin pembakaran dalam, mesin uap, mesin Stirling dan sistem dari torak banyak diaplikasikan pada sistem yang bukan bertujuan untuk menghasilkan tenaga momen putar misalkan pompa piston memanfaatkan sistem dari torak untuk menghisap dan mendorong fluida untuk mengalir dengan tekanan tinggi.
Berikut adalah gambar dari Reciprocating engine serta beberapa tipe – tipenya:
Gambar 2.1 Mesin Piston Uap Sumber:
http://en.wikipedia.org/wiki/Reciprocating_ motion
Gambar 2.2 Mesin Alpha Stirling Sumber :
http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine
Gambar 2.3 Mesin Pembakaran Dalam Otto 4 Langkah
Sumber: http://automotive-learning-center.blogspot.com/2012/12/animasi-motor-otto-4-langkah_414.html
Gambar 2.4 Mesin Radial Sumber:
Gambar 2.5 Mesin Wankel Sumber:
Gambar 2.6 Mesin Deltic
Sumber:http://en.wikipedia.org/wiki/Napier_Deltic
Gambar 2.7 Mesin Stelze
Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Stelzer_engine
2.1.2 Komponen – Komponen Utama Reciprocating Engine
Pada sebelumnya telah dijelaskan mengenai definisi mesin bakar torak dan jenis dari mesin bakar torak. Setiap jenis mesin bakar torak memiliki beberapa komponen khusus dikarenakan terdapat sebuah perbedaan sistem satu dengan lainnya walaupun semuanya memiliki kesamaan yaitu komponen utamanya adalah piston dan silinder. Pada V Piston Motor Magnetic terinspirasi dari komponen – komponen mesin bakar torak jenis pembakaran dalam dan berikut adalah komponen – komponen utama dari
Gambar 2.8 Komponen Mesin Pembakaran Dalam Sumber:
http://web.ipb.ac.id/~tepfteta/elearning/media/Bahan%20Ajar%20Motor%20dan%20Tenaga%2 0Pertanian/konstruksi%20mb%20torak-3.htm#Komponen utama motor bakar internal
Sumber: http://ki-tapunya.blogspot.com/2013/09/fungsi-komponen-utama-mesin-engine.html
1. Spark plug (Busi) : Untuk meloncatkan bunga api tegangan tinggi kedalam silinder, yang akan digunakan untuk membakar campuran udara dan bahan bakar. 2. Adjusting shim : Penyetel celah dengan metode shim. 3. Valve lifter : Sebagai pengangkat katup.
4. Exaust valve : Untuk membuka dan menutup saluran buang atau exhaust manifold.
6. Gasket : Sebagai perapat yang biasanya digunakan untuk mencegah adanya kebocoran.
7. Water jacket : Untuk saluran air pendingin didalam mesin. 8. Cylinder block : Untuk tempat silinder yang berfungsi sebagai
tempat bergeraknya piston.
9. Piston (torak) : Untuk menerima tekanan pembakaran dan meneruskan tekanan untuk memutar poros engkol melalui connecting rod.
10.Batang piston : Berfungsi untuk meneruskan tenaga/gerak dari piston ke poros engkol.
11.Small end : Untuk menempatkan pena piston.
12.Big end : Untuk pemegang pin journal pada poros engkol. 13.Conecting rod bearings : Sebagai bantalan.
14.Oil hole : Untuk menyalurkan oli pendingin menuju piston. 15.Conecting rod cap : Sebagai penahan connecting rod dengan pin. 16.Ruang Bakar : Untuk tempat pembakaran campuran udara dan
bahan bakar.
17.Valve seat/skep : Sebagai tempat dudukan kepala katup.
18.Oil seal : Sebagai perapat oli agar tidak masuk ke ruang bakar.
19. Intake valve : Untuk membuka dan menutup saluran pemasukan bahan bakar dan udara.
20.Valve keepers : Sebagai pengunci antara katup dengan pegas. 21.To exhaust manifold : Disambung dengan manifold buang.
22.To intake manifold : Disambung dengan manifold masuk
23.Poros engkol : Sebagai pengubah gerak bolak-balik piston menjadi gerak putaran yang diteruskan putaran ke system kopling sistem transmisi, putaran diteruskan ke gardan/ propeller dan ke roda. 24.Bak oli (carter) : Untuk menampung oli ketika mesin berhenti. 25.Crank pin : Untuk tempat tumpuan big end batang piston. 26.Crank journal : Sebagai titik tumpu pada blok motor.
27.Counter balance weight : Sebagai bobot penyeimbang putaran.
28.Fly wheel / roda gila : Sebagai peringan putaran pada poros engkol dan sebagai starter mesin.
29.Poros nok (Cam shaft) : Berfungsi untuk membuka dan menutup katup sesuai timing (saat) yang ditentukan,
menggerakkan pompa bensin dan sebagai gigi penggerak distributor.
30.Journal : Sebagai titik tumpu putaran poros. 31.Cam shaft drive gear : Sebagai gigi pemutar.
32.Cam shaft driven gear : Sebagai gigi yang diputarkan. 33.Intake cam shaft : Penggerak mekanik katup masuk. 34.Exhaust cam shaft : Penggerak mekanik katup buang.
35.Cam shaft timing pulley : Untuk menepatkan posisi katup dengan piston. 36.Cut-out groove : Untuk menggerakkan didtributor
menyediakan campuran udara dan bahan bakar secara tepat.
38.Nozzle (injector) : Untuk menyemprotkan bahan bakar ke ruang bakar (mesin diesel).
39.Water cendimeter : Untuk mengendapkan air yang ada pada bahan bakar mesin diesel.
40.Timing gear, belt, chain : Untuk penghubung putaran poros engkol dengan poros nok, sekaligus menepatkan posisi katup dengan piston.
41.Bak engkol : Sebagai tempat penampung oli mesin.
42.Radiator : Menampung air pendingin untuk didinginkan oleh kipas.
43.Selang bawah radiator : Untuk mengalirkan air ke engine.
44.Selang atas radiator : Untuk mengalirkan air panas dari engine. 45.Thermostaat : Sebagai pengontrol suhu kerja engine. 46.Pompa air/Water pump : Untuk mensirkulasikan air.
47.Tali kipas/Fan bel t : Untuk menggerakkan kipas pendingin. 48.Tangki (Fuel tank) : Sebagai penampung bahan bakar.
49.Pompa (Fuel pump) : Menyuplai bahan bakar dari tangki ke karburator 50.Baterai : Sebagai penyimpan arus listrik.
51.Kontak (Switch) : Untuk memutus dan menghubungkan.
52.Koil : Merubah arus masuk primer menjadi arus keluar sekunder bertegangan tinggi
ke setiap Busi.
54. Pena torak (piston pin) : Berfungsi untuk menghubungkan torak dengan bagian ujung yang kecil small end pada batang torak.
55.Pompa oli : Menghisap oli dari bak oli dan kemudian
menekan dan menyalurkan ke bagian bagian mesin yang bergerak.
56.Filter oli : Berfungsi menyaring oli mesin dari kotoran, logam, carbon, endapan lumpur dan lain lain. Komponen yang digunakan pada mesin V Piston Motor Magnetic jauh lebih sederhana dan tidak serumit mesin bakar torak pada umumnya dikarenakan tidak adanya sistem pembakaran yang memerlukan perhatian khusus serta valve/katup yang harus dirancang sedemikian rupa agar sesuai pada saat langkah – langkah yang dilakukan oleh mesin bakar torak.
2.1.3 Prinsip Kerja Mesin Bakar Torak
Prinsip kerja dari mesin bakar torak sangatlah sederhana bila hanya membicarakan konsep kerja karena arti mesin bakar torak pada bahasa inggris adalah reciprocating engine dimana bila diterjemahkan yaitu mesin piston yang saling berbalas – balasan sehingga prinsip kerja dari mesin bakar torak yaitu sebuah pergerakan piston secara linier yang dimana bergerak dari bagian atas (Titik Mati Atas) menuju bagian bawah ( Titik Mati Bawah) seolah – olah berkelanjutan dan saling berbalasan. Prinsip kerja dari motor bakar torak pada
umumnya yaitu terbagi menjadi beberapa tahapan yaitu langkah hisap, langkah kompresi, langkah usaha dan langkah buang.
Pada mesin pembakaran dalam, terdapat 2 jenis mesin yang umumnya ditemui dalam kehidupan sehari – hari yaitu mesin bensin dan mesin diesel. Langkah kerja dari motor bensin dan motor diesel tetap sama yaitu langkah hisap, langkah kompresi, langkah usaha dan langkah buang walaupun terdapat perbedaan pada langkah hisap dan langkah kompresi. Berikut adalah penjelasan mengenai langkah kerja dari mesin bensin dan mesin diesel.
1. Motor Bensin – Siklus Otto
Motor bensin dibagi menjadi 2 jenis tipe berdasarkan jumlah langkahnya yaitu motor bensin 4 langkah dan motor bensin 2 langkah. Pada motor bensin 2 langkah, terjadi penggabungan langkah hisap dengan kompresi dan langkah usaha dengan buang. Berikut masing – masing penjabaran dari mesin bensin 4 langkah dan mesin bensin 2 langkah:
a. Motor Bensin 4 Langkah - Langkah Hisap
Pada gerak hisap, campuran udara bensin dihisap ke dalam silinder. Torak dalam gerakan turun dari TMA ke TMB menyebabkan kehampaan di dalam silinder, dengan demikian campuran udara bensin dihisap ke dalam. Selama langkah torak ini, katup hisap akan membuka dan katup buang menutup.
- Langkah Kompresi
Dalam gerakan ini campuran udara bensin yang di dalam silinder dimampatkan oleh torak yang bergerak ke atas dari TMB ke TMA. Kedua katup hisap dan katup buang akan menutup selama gerakan tekanan dan suhu campuran udara bensin menjadi naik. Bila tekanan campuran udara bensin ini ditambah lagi, tekanan serta ledakan yang lebih besar lagi dari tenaga yang kuat ini akan mendorong torak ke bawah. Sekarang torak sudah melakukan dua gerakan atau satu putaran poros engkol
- Langkah Usaha
Dalam gerakan ini, campuran udara bensin yang dihisap akan dipercikan bunga api dari busi sehingga menyebabkan ledakan dan menghasilkan tenaga yang mendorong torak ke bawah meneruskan tenaga penggerak yang nyata. Selama gerak ini katup hisap dan katup buang masih tertutup. Torak telah melakukan tiga langkah dan poros engkol berputar satu setengah putaran
- Langkah Buang
Dalam gerak ini, torak terdorong ke bawah, ke TMB dan naik kembali ke TMA untuk mendorong gas-gas yang telah terbakar dari silinder. Selama gerak ini kerja katup buang saja yang terbuka. Bila torak mencapai TMA sesudah melakukan pekerjaan seperti di atas, torak akan kembali pada keadaan untuk memulai gerak hisap. Sekarang motor telah melakukan 4 gerakan penuh, hisap-kompresi-kerja-buang. Poros engkol berputar 2 putaran, dan telah menghasilkan satu tenaga. Di dalam mesin sebenarnya, membuka
dan menutupnya katup tidak terjadi tepat pada TMA dan TMB, tetapi akan berlaku lebih cepat atau lambat, ini dimaksudkan untuk lebih efektif lagi untuk aliran gas.
Sumber: http://ototech.wordpress.com/2013/03/12/siklus-kerja-motor-bensin-4-langkah/
Gambar 2.9 Langkah Kerja Motor Bensin 4 Langkah Sumber: http://angelsteuk.blogspot.com/2012/01/motor-bakar.html
b. Motor Bensin 2 Langkah
Pada motor bensin 2 langkah terdapat penggabungan langkah dan konstruksinya tidak sama dengan motor bensin 4 langkah. Berikut adalah langkah kerja dari motor bensin 2 langkah.
- Langkah Hisap dan Kompresi
Pada langkah ini dalam motor 2 tak terjadi 2 aksi berbeda yang terjadi secara bersamaan yaitu aksi kompresi yang terjadi pada ruang silinder atau pada bagian atas dari piston dan aksi hisap yang terjadi pada ruang engkol atau pada bagian bawah piston. Sedangkan yang terjadi dalam langkah ini adalah
Torak bergerak dari TMB (titik mati bawah) ke TMA (titik mati atas).
Pada saat saluran pembiasan tertutup mulai dilakukan langkah kompresi pada ruang silinder.
Pada saat saluran hisap membuka maka campuran udara dan bensin akan masuk ke dalam ruang engkol.
Gambar 2.10 Langkah Hisap dan Kompresi
Sumber: http://fitrilebeks.wordpress.com/2009/06/03/prinsip-kerja-motor-bensin-2-tak/
- Langkah Usaha dan Buang
Dan pada langkah ini terjadi langkah usaha dan buang yang terjadi pada saat yang tidak bersamaan, jadi langkah usaha dahulu barulah setelah saluran pembiasan dan saluran buang terbuka terjadi langkah buang. Yang terjadi dalam langkah ini adalah :
Sebelum piston mencapai TMA (titik mati atas), busi akan memercikan bunga api listrik sehingga campuran udara dan bahan bakar akar terbakar dan menyebabkan timbulnya daya dorong terhadap piston, sehingga
piston akan bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah).
Gambar 2.11 Langkah Usaha
Sumber: http://fitrilebeks.wordpress.com/2009/06/03/prinsip-kerja-motor-bensin-2-tak/
Sesaat setelah saluran hisap tertutup dan saluran bilas serta saluran buang membuka maka campuran udara dan bahan bakar yamg berada diruang engkol akan mendorong gas sisa hasil pembakaran melalui saluran bilas.
Gambar 2.12 Langkah Usaha
Sumber: http://fitrilebeks.wordpress.com/2009/06/03/prinsip-kerja-motor-bensin-2-tak/
Berdasarkan penjelasan tersebut maka dapat disimpulkan dengan menggunakan Tabel sebagai berikut:
Tabel 2.1 Perbedaan Motor Bakar 4 Langkah Dengan 2 Langkah
No. Perbedaan Motor Bakar 4 langkah Motor Bakar 2 langkah 1 Proses terjadinya
usaha/tenaga
Dibutuhkan 4 langkah piston atau 2 putaran poros engkol
Dibutuhkan 2 langkah piston atau 1 putaran poros engkol
Sumber: http://ocw.usu.ac.id/course/download/313-MESIN-PERALATAN/tep.202_handout_motor_bakar_torak.pdf
2. Motor Diesel
Motor diesel termasuk mesin bakar torak dan merupakan bagian dari mesin pembakaran dalam. Mesin diesel memiliki sedikit perbedaan dengan motor bensin yaitu pada saat langkah hisap dan langkah usaha. Pada langkah hisap, motor diesel hanya menghisap udara tanpa bahan bakar (fuel) kemudian masuk ketahap kompresi dimana hanya udara yang dimampatkan dan terakhir adalah langkah usaha yang dilakukan tanpa bantuan percikan bunga api dari busi melainkan hanya dengan menginjeksikan bahan bakar ke udara yang telah dimampatkan sehingga terjadi ledakan dengan sendirinya.
Berikut adalah detail dari langkah – langkah motor diesel : 2 Langkah yang dibutuhkan pada masing – masing proses Masing – masing membutuhkan 1 langkah piston penuh
Hisap dengan kompresi pada satu langkah dan usaha dengan buang pada langkah satu langkah lainnya
3 Hasil Pembakaran Sempurna dan hemat Kurang sempurna 4 Tenaga ( Untuk
Ukuran dan Putaran yang Sama)
Lebih rendah dari motor 2 langkah
Lebih tinggi dari motor 4 langkah
5 Suhu Piston dan Silinder
Lebih rendah dari motor 2 langkah
Lebih tinggi dari motor 4 langkah
a. Langkah Hisap (intake)
Pada langkah ini klep pemasukan (intake) terbuka dan klep pengeluaran (exhaust) tertutup. Piston bergeran dari TMA ke TMB, udara murni dihisap masuk ke ruang silinder.
b. Langkah Kompresi (compression)
Pada langkah ini klep pemasukan dan pembuangan tertutup. Piston bergerak dari TMB ke TMA. Udara murni ditekan sampai 15 atm atau lebih Pemasukan kalor, bahan bakar di semprotkan masuk ke silinder melalui injektor dengan tekanan tinggi, sehingga terjadi pembakaran dan terjadi pada tekanan konstan.
c. Langkah Usaha (Work)
Pada langkah ini klep pemasukan dan pengeluaran tetap tertutup. Karena adanya pembakaran tekanan meningkat sehingga piston terdorong dan menghasilkan kerja. Piston bergerak dari TMA ke TMB.
d. Langkah Buang (Exhaust)
Pada langkah ini klep pemasukan tertutup dan klep pengeluaran terbuka, piston bergerak dari TMB ke TMA mendesak keluar sisa pembakaran .
2.1.4 Konfigurasi Mesin Pembakaran Dalam
Dalam mendesain sebuah sistem permesinan sangat diperlukan sebuah
layout atau tata letak setiap komponen yang efektif dan efisien baik pada saat perakitan, perawatan serta pada saat mengalami beban puncak (karena pada saat beban puncak setiap komponen akan mengalami getaran dan tekanan yang luar biasa). Mesin bakar torak memiliki berbagai macam variasi dalam hal konfigurasi dan masing – masing konfigurasi memiliki kelebihan dan kekurangannya serta tingkat kerumitan dalam hal mendesain dan perhitungan serta keakuratan dalam proses pembuatannya.
Berikut adalah beberapa konfigurasi yang umumnya terdapat pada mesin bakar torak dan penjabaran mengenai konsep konfigurasi tersebut:
1. Konfigurasi Inline
Konfigurasi inline adalah sebuah layout/penempatan silinder dipasang dalam 1 garis sejajar dan menggunakan satu poros engkol serta memiliki jarak antar silindernya. Dalam perkembangannya konfigurasi inline mencapai jumlah silinder sebanyak 14 silinder yaitu yang dibangun pada sebuah mesin diesel terbesar di dunia yang diberi nama Wartsila-Sulzer RTA96-C. Berikut adalah layout dari konfigurasi
Gambar 2.13 Konfigurasi Inline/segaris
Sumber: http://domsavmania.wordpress.com/materi-dan-buku-teknik-mesin/motor-bakar/susunan-silinder/
Keuntungan Konfigurasi Sejajar: - Mudah dipasang dan diservice
- Lebih sederhana baik dalam pendesainan maupun pembuatan - Membutuhkan Camshaft dan kepala silinder yang lebih sedikit - Volumenya jauh lebih kecil daripada desain
- Dapat diletakan disembarang arah
- Lebih mudah dipahami oleh mekanik pada umumnya Kerugian Konfigurasi Sejajar:
- Pada jumlah silinder yang cukup banyak akan membuat dimensinya menjadi tinggi dan membutuhkan ruang yang cukup besar
- Membutuhkan putaran mesin yang relatif tinggi untuk mencapai tenaga optimal
- Semakin banyak silinder maka akan semakin sulit mencapai keseimbangan kerja dari masing – masing piston.
2. Konfigurasi Flat
Pada mesin pembakaran dalam terdapat sebuah konfigurasi flat
yang dimana penempatan semua silindernya mendatar horizontal dan berlawanan sehingga seolah – olah rata. Pada konfigurasi inline
memerlukan ruang yang cukup tinggi sedangkan pada konfigurasi
flat memerlukan ruang yang cukup lebar. Poros engkol hampir sama dengan konfigurasi inline yaitu hanya memerlukan satu poros engkol untuk menggabungkan beberapa silinder yang berlawanan.
Gambar 2.14 Konfigurasi Flat
Sumber: http://domsavmania.wordpress.com/materi-dan-buku-teknik-mesin/motor-bakar/susunan-silinder/
Keuntungan Kongurasi Flat
-Memiliki titik berat yang rendah karena tidak melawan gravitasi. -Stabilitas dan pengendalian yang baik.
-Kesetimbangan yang jauh lebih baik karena momentum piston yang berlawanan.
-Tenaga relatif rendah. Kerugian Konfigurasi Flat
- Harga perawatan yang mahal. - Berisik dan getaran yang tinggi.
3. Konfigurasi V
Konfigurasi ini paling umum untuk sebuah mesin pembakaran internal dan biasanya konfigurasi ini disusun dalam 2 bentuk yaitu membentuk sudut 60° atau 90° namun masih dapat dibentuk dengan sudut yang lain tergantung dari jumlah silinder. Konfigurasi V dapat mereduksi panjang dan berat keseluruhan mesin jika dibandingkan dengan mesin yang tersusun dengan konfigurasi lurus. Rata-rata dengan V type engine pengurangan panjang mencapai 30% dan massa 20-25%. Jika diinginkan adanya pegurangan tinggi mesin, solusinya yaitu dengan mendesain V-type dengan langkah pendek.
Gambar 2.15 Konfigurasi V
Sumber: http://domsavmania.wordpress.com/materi-dan-buku-teknik-mesin/motor-bakar/susunan-silinder/
Keuntungan Konfigurasi V
- Bobotnya dan ruang yang dibutuhkan dapat diminimalisir. - Pergerakan piston jauh lebih kompak.
- Tenaga yang dihasilkan sangat tinggi.
- Nilai gravitasi yang mempengaruhi lebih rendah. - Lebih seimbang dan halus.
- Mampu menghasilkan tenaga yang cukup tinggi pada putaran mesin yang rendah.
Kerugian Konfigurasi V
-Perawatan yang relatif sulit, mahal, dan memerlukan keahlian. -Pendesainan dan pembuatan yang jauh lebih rumit.
-Jauh lebih boros(namun pada beberapa sistem permesinan mampu membuatnya jauh lebih irit).
4. Konfigurasi W
Konfigurasi ini merupakan pengembangan dari konfigurasi V dimana terdapat penambahan 1 baris silinder yaitu pada bagian tengah sehingga membentuk sebuah huruf W. Pada implementasinya terdapat 3 jenis yang berbeda yaitu dengan 3 cabang silinder, 4 cabang silinder dan 2 cabang silinder. Peminatan terhadap konfigurasi ini cukup minim mengingat desain dan konstruksinya yang sangat rumit serta komponennya yang sangat banyak
Gambar 2.16 Konfigurasi W pada mesin Napier Lion VII Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Mesin_W
Keuntungan Konfigurasi W
- Kestabilan jauh lebih tinggi daripada lainnya.
- Tenaga dan torsi sangat besar. Kerugian Konfigurasi W
- Kerumitan dalam hal desain, konstruksi dan perawatan. - Membutuhkan tenaga yang benar – benar ahli konfigurasi W
dalam perawatan. - Biaya yang mahal.
5. Konfigurasi X
Konfigurasi ini sangat unik dan sudah sangat jarang ditemukan. Konfigurasi X merupakan pengembangan dari konfigurasi V dimana terdapat dua buah Konfigurasi V yang arahnya berlawanan. konfigurasi ini memiliki bobot yang sangat berat mengingat bahwa 2 buah mesin V digabungkan namun tenaga dan keseimbangan gerakan piston sangat luar biasa perfomanya. Konfigurasi X sering digunakan pada pesawat tempur pada perang dunia II.
Gambar 2.17 Konfigurasi X pada mesin Roll Royce Exe
2.1.5 Perhitungan Dasar Piston Mesin Pembakaran Dalam
Terdapat beberapa perhitungan dasar mengenai piston mesin pembakaran dalam dan pada bagian ini penulis akan menjelaskan beberapa teori mengenai modifikasi V piston yang digunakan
A.Menghitung Kapasitas Mesin
Kapasitas mesin merupakan volume langkah piston atau sering disebut stroke. Volume langkah piston/stroke yaitu luas lingkaran silinder dikalikan dengan panjang langkah piston (jarak dari Titik Mati Atas/TMA ke Titik Mati Bawah/TMB)
Berikut adalah persamaan dari kapasitas mesin piston
Dimana : π =
D = Diameter Dalam Silinder (mm) S = Panjang Langkah Piston (mm)
Volume Langkah dalam Satuan CC (Centimeter Cubic)
B.Kecepatan Piston
Sewaktu mesin berputar, kecepatan Piston di TMA dan TMB adalah nol dan pada bagian tengah lebih cepat, oleh karenanya kecepatan piston diambil rata – rata.
Dimana:
V = Kecepatan Piston rata-rata L = Langkah (m).
N = Putaran mesin (rpm).
Dari TMB, piston akan bergerak kembali keatas karena putaran poros engkol, dengan demikian pada 2x gerakan piston, akan menghasilkan 1 putaran poros engkol, jika poros engkol membuat N putaran, maka piston bergerak 2LN. Karena dinyatakan dalam detik maka dibagi 60.
C.Torsi
Torsi sering disebut juga sebagai momen dimana merupakan hasil dari gaya dengan jarak gaya dari titik pusat. Mesin torak digerakan oleh torsi dari crankshaft. Makin banyak jumlah gigi pada roda gigi, makin besar torsi yang terjadi sedangkan kecepatan putar akan direduksi menjadi separuhnya. Torsi yang dihasilkan dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut
Dimana
τ = Torsi (N-m)
F = Gaya yang bekerja secara linier (N)
Gambar 2.18 Torsi
Sumber:smakita.net/pengertian-momen-gaya-torsi
Pada V Piston Motor Magnetic tidak terdapat kapasitas mesin karena tidak adanya silinder sehingga kapasitas mesin yang ada adalah panjang langkah piston yang ditentukan berdasarkan kekuatan tarik magnet dan panjang busur antar magnet.
Kecepatan piston dihitung berdasarkan hasil perkalian jarak langkah dengan kecepatan putar poros engkol dibagi dengan waktu. Sedangkan torsi yang dihasilkan pada poros utama adalah perbandingan rasio torsi 2 buah roda gigi pada poros engkol dengan roda gigi pada poros utama
2.2. Konsep Garis – Garis Gaya Medan Magnet 2.2.1. Definisi Magnet
Magnet pada awalnya adalah batuan alami yang mampu menarik besi yang ada disekitarnya dan batuan tersebut terdapat pada daerah magnesia
yang merupakan wilayah dari Negara Yunani. Sekarang ini magnet alam sangat sulit untuk ditemui karena jumlahnya yang terbatas sehingga dibuatlah magnet buatan. Magnet buatan berasal dari logam besi maupun ada beberapa magnet yang merupakan campuran besi dengan logam lainnya seperti boron dan neodymium. Magnet buatan dapat dibuat dengan beberapa proses yaitu dengan cara menggosok – gosokan magnet ke permukaan logam, menginduksikan magnet kepada logam tersebut atau pun dengan mengaliri logam dengan arus listrik.
Berikut adalah ciri – ciri atau sifat dari magnet.
- Magnet mempunyai 2 buah kutub yaitu kutub utara dan selatan.
- Memiliki gaya tarik – menarik pada kutub yang berlawanan dan gaya tolak – menolak pada kutub yang sejenis.
- Walau dipotong, Magnet akan tetap memiliki 2 kutub pada setiap ujung potongannya.
- Magnet dapat menarik benda logam yang mengandung unsur ferrous. - Gaya – gaya medan magnet tidak hanya pada kutubnya tetapi pada
daerah sekitarnya.
- Sifat kemagnetan dapat dibuat pada logam lainnya dengan 3 cara menggosok – gosok, induksi dan mengaliri listrik.
- Menghilangkan sifat kemagnetan dengan 3 cara dibakar, dipukul dan meletakan pada selenoida serta dialiri arus AC
- Partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam daerah medan magnet homogen akan mendapatkan gaya
2.2.2. Jenis – jenis magnet
Berdasarkan tipenya, magnet terbagi menjadi 2 yaitu magnet alam dan magnet buatan. Magnet buatan terdiri dari magnet permanen dan magnet non permanent dimana yang membedakannya adalah jangka waktu dari sifat magnet tersebut. Berikut adalah pembagian dari jenis – jenis magnet menggunakan diagram:
Diagram 2.1 Jenis Magnet
Magnet permanen yang terbuat dari bahan yang sulit untuk dijadikan magnet misalkan baja dan alcomax akan menjadi magnet permanen yang keras dan sifat kemagnetannya akan tahan lama sedangkan magnet permanen yang terbuat dari bahan yang mudah untuk dijadikan magnet
Magnet Magnet Alam Bumi Batuan Gunung Ida Magnet Mekah Magnet Buatan Magnet Permanen Magnet Alcomax Magnet Alnico Magnet Ticonal Magnet Keramik Magnet Neodiyum magnet Sementara Stalloy mumetal
misalkan stalloy dan mumetal akan menjadi magnet permanen yang lunak dan sifat kemagnetannya akan mudah hilang
2.2.3 Penentuan Garis – garis Gaya Medan Magnet
Jika dua buah magnet saling didekatkan, magnet pertama akan mengerjakan gaya pada magnet kedua, dan magnet kedua mengerjakan gaya kepada magnet pertama. Gaya magnet, seperti halnya gaya listrik, berupa tarikan dan tolakan. Jika dua kutub utara didekatkan, maka keduanya tolak-menolak. Dua kutub selatan juga saling menolak. Namun, jika kutub selatan didekatkan pada kutub utara, maka kedua kutub ini akan tarik-menarik. Sehingga kita dapat membuat aturan untuk kutub magnet: kutub senama tolak-menolak, dan kutub tak senama tarik-menarik.
Gambar 2.19 Gaya Tolak – Menolak Sumber:
http://3.bp.blogspot.com/-ZNxCn0kQGpU/TwfN34kc6kI/AAAAAAAAAAo/lriXkFo6h8k/s1600/elektrom agnet-5.jpg
Gambar 2.20 Gaya Tarik – Menarik Sumber:
http://3.bp.blogspot.com/-ZxuzNGIz094/TwfOOdXOPCI/AAAAAAAAAAw/HMxosYj8zmQ/s1600/elektr omagnet-4.jpg
Walaupun gaya-gaya magnet yang terkuat terletak pada kutub-kutub magnet, gaya-gaya magnet tidak hanya berada pada kutub-kutubnya saja. Gaya-gaya magnet juga timbul di sekitar magnet. Daerah di sekitar magnet yang terdapat gaya-gaya magnet disebut medan magnet. Garis gaya magnet dapat digambarkan dengan cara menaburkan serbuk besi pada kertas yang diletakkan di atas magnet. Jika pada suatu tempat garis gaya magnetnya rapat, berarti gaya magnetnya kuat. Sebaliknya jika garis gaya magnetnya renggang, berarti gaya magnetnya lemah.
Gambar 2.21 Diagram garis gaya magnet dapat dibuat sesuai pola serbuk besi yang terjadi
http://4.bp.blogspot.com/-ev1K312GwCY/T4Z-.
Gambar 2.22 Garis medan magnet Utara-Selatan. Sumber:
http://2.bp.blogspot.com/-4uEV_6SZjzQ/T4ZywAcLi3I/AAAAAAAAAoM/hdGE9EatD1M/s1600/mg6+copy.jpg
Seperti halnya garis gaya listrik yang menggambarkan medan listrik, garis gaya magnet dapat menggambarkan medan magnet. Namun tidak seperti garis gaya listrik yang dapat berawal dan berakhir pada satu muatan listrik, garis gaya magnet tidak ada awal dan akhirnya. Garis gaya magnet membentuk lintasan tertutup dari kutub utara ke kutub selatan. Jadi, medan magnet adalah daerah di sekitar magnet yang masih bekerja gaya magnet, digambarkan oleh garis gaya magnet yang menyebar dari kutub-kutub magnet. (Sudibyo, Elok, dkk. 2008: 204-206)
2.3. Penggabungan Konsep Konfigurasi V Piston Engine Dan Garis Gaya Medan Magnet
Berdasarkan penjabaran dari konsep konfigurasi V piston engine dan garis gaya medan magnet maka tercetuslah sebuah gagasan untuk membuat sebuah penggabungan konsep dimana menggunakan sistem mekanik dari konfigurasi V
yang telah dimodifikasi sedemikian rupa dengan memanfaakan garis gaya medan magnet sebagai tenaga penggerak.
Penggabungan konsep tersebut harus melalui penelitian dan pendesainan yang tepat serta konstruksi harus dilakukan dengan seakurat mungkin sampai tahap terakhir adalah pengujian dan pengevaluasian konsep yang telah terimplementasikan pada sebuah benda nyata.
Diagram 2.2 Alur pembuatan V Piston Magnetik
Penulis hanya akan membahas cakupan mengenai penelitian dan pendesainan sebagai langkah awal dari perancangan alat V Piston Motor Magnetic tersebut dan pada bab ini akan dilanjutkan dengan teori – teori mengenai pendesainan khususnya bagian bagian gambar teknik.
2.4. Teori Dasar Pendesainan/Perancangan Sebuah produk
Sebagai mahasiswa program studi teknik mesin terdapat banyak bidang peminatan yang tersedia di dunia kerja sebagai engineer diantaranya design engineer, process engineer dan quality engineer. Design engineer merupakan langkah awal dari sebuah pembuatan produk meskipun terdapat feedback antara
dan mengakhirinya dengan sebuah blueprint yang akan diberikan kepada process engineer dan direvisi oleh qualityengineer.
Penulis sangat ingin menjadi design engineer yang hebat dan penulis mempelajari sebuah metode perancangan/design yang mencakup sebagian besar metode yang ada, yaitu:
Metode Pahl & Beitz
Metode Pahl & Beitz lahir dan berkembang sejak tahun 1984 dan salah satu metode perancangan yang sering digunakan. Dalam bukunya yang berjudul “Engineering design : A Systematic Approach” menjelaskan tahapan –
tahapan dalam mendesain sebuah produk maupun sebuah proses produksi dan berikut adalah tahapan – tahapan yang dijelaskan oleh metode Pahl & Beitz :
Diagram 2.3 Alur Perancangan Metode Pahl & Beitz
Pahl & Beitz
Mengklarifikasi
Kebutuhan
Perancangan Konsep
Perancangan
Perwujudan Konsep
Perancangan Detail
Dokumentasi Produk
Prototype
2.4.1 Langkah Pertama: Mengklarifikasi Kebutuhan ( Clarification Of TheTask)
Langkah pertama ini adalah mengumpulkan informasi
mengenai kebutuhan yang berada di masyarakat ataupun consumen
kemudian dapat dibuatlah requirement list atau daftar persyaratan
suatu produk berdasarkan informasi tersebut.
Requirement list
tersebut berfungsi sebagai pedoman dalam membuat sebuah produk
dimana terdapat beberapa persyaratan yang harus diperhatikan yaitu
-
Geometry = panjang, lebar, tinggi, diameter, jumlah, sambungan.
-
Kinematic = jenis gerakan, arah gerakan, kecepatan, percepatan.
-
Gaya = arah gaya, beban, deformasi, elastisitas, torsi, kekakuan.
-
Energi = energi masuk dan keluar, efisiensi, tekanan, temperatur,
pemanasan, pendinginan, suplai, kapasitas, konversi.
-
Material = alur dan transportasi material, sifat fisik dan kimiawi
material
-
Sinyal = input dan output, bentuk sinyal, tampilan dan peralatan
kontrol
-
Keamanan = sistem perlindungan, operasional keamanan dan
-
Kenyamanan = hubungan manusia – mesin, tipe pengoperasian,
pengoperasian puncak, kebersihan tata ruang, dan kenyamanan
bentuk
-
Produksi = kemampuan pabrik, pemborosan, metode produksi
yang sesuai, pencapaian kualitas dan toleransinya
-
Kualitas control = memungkinkan untuk diuji, diaplikasikan
sesuai regulasi atau peraturan standar.
-
Perakitan = pemasangan, pondasi, ketentuan khusus.
-
Transportasi = proses pengiriman, kondisi pengiriman, izin dan
lainnya.
-
Pengoperasian = kebisingan, pemakaian, penggunaan khusus,
tujuan pengoperasian.
-
Perawatan = penggantian suku cadang, perbaikan, pembersihan,
inspeksi dan lainnya
-
Harga = maksimum harga manufaktur yang diijinkan, harga
peralatan, investasi dan penyusutannya
-
Jadwal = waktu terakhir pembuatan, perencanaan proyek dan
kontrol serta waktu pengiriman
Dalam tahap pertama ini terdapat beberapa tahapan untuk
-
Menyusun persyaratan
-
Menyusun persyaratan pada perintah yang jelas
-
Membuat standar formulir spesifikasi
-
Memeriksa penolakan dan revisi
Berikut adalah contoh dari
Requirement List
berdasarkan Teori Pahl
& Beitz:
Gambar 2.23 Requirement List
2.4.2 Langkah Kedua: Membuat Perancangan Konsep (Conseptual Design)
Hasil requirement list dari tahap pertama akan menjadi pedoman penting dalam langkah selanjutnya yaitu konseptual desain (Conseptual Design) dimana menjadi acuan dalam pembuatan konsep sebuah produk. Konseptual desain (Conseptual Design) adalah tahapan untuk mengidentifikasi permasalahan dalam pembuatan sebuah produk yang sesuai dengan standar requirement list
melalui abstraksi.
Abstraksi yang dibuat hampir sama halnya dengan requirement list
dimana terdapat pemilihan antara harapan (wish) dan permintaan (demand) namun pada abstraksi jauh lebih kompleks karena terbagi – bagi menjadi beberapa elemen. Setelah membuat abstraksi, langkah selanjutnya adalah pembentukan struktur fungsi semua komponen yang akan dibuat dalam beberapa varian. Tujuan dari membuat varian yaitu mencari prinsip solusi yang tepat dari kombinasi mereka dan mengevalusinya sehingga mendapatkan sebuah konsep perancangan yang tepat.
Berikut adalah model dari abstraksi, struktur fungsi, varian prisnsip solusi dan evaluasi dari prinsip solusi.
Gambar 2.24 Abstraksi konseptual desain
Gambar 2.25 Contoh Struktur Fungsi
Gambar 2.26 Contoh Prinsip Solusi
Sumber: Engineering design: A Systematic Approach (Pahl & Beitz; 1984)
Gambar 2.27 Evaluasi Prinsip solusi
2.4.3 Langkah Ketiga: Membuat Perwujudan Desain (Embodiment Design)
Pada tahap sebelumnya yaitu konseptual desain hanya membuat sebuah konsep perancangan sebuah sistem kerja dan kombinasi varian dari setiap struktur fungsi yang mampu menyelesaikan permasalahan namun tahap tersebut hanyalah sebuah konseptual tanpa memikirkan langkah manufaktur dan teknik serta ekonomi dalam pembuatan produk tersebut oleh karena itu langkah selanjutnya adalah perwujudan dari desain yang telah dibuat (Embodiment Design).
Perwujudan desain (Embodiment Design) adalah langka selanjutnya dari konseptual desain dan tahapan ini dimulai dari dengan konsep produk teknik yang memperhatikan bagaimana pembebanan, tegangan, regangan, factor keamanan dan hal yang berkaitan dengan sifat fisik dan kimia setiap komponen. Tahapan ini juga merupakan perkembangan desain yang sesuai dengan kriteria teknis dan ekonomi karena mengingat bahwa langkah selanjutnya yaitu desain rincian yang dapat mengarah secara langsung ke pembuatan sebuah produk.
Pada Perwujudan desain (Embodiment Design) ada beberapa aturan dasar yang harus dipahami yaitu
- Kejelasan = fungsi, prinsip kerja, penataan dan bentuk rancangan, keamanan, kenyamanan, perakitan, produksi, pengoperasian dan perawatan.
- Kesederhanaan = fungsi, prinsip kerja, penataan dan bentuk rancangan, keamanan, kenyamanan, perakitan, produksi, pengoperasian dan perawatan. - Keamanan = fungsi, prinsip kerja, penataan dan bentuk rancangan,
2.4.4 Langkah Keempat: Membuat Detail Desain (Detail Design)
Ini adalah tahapan terakhir dalam proses perancangan sebuah produk sebelum masuk kedalam tahapan manufaktur. Tahapan terakhir ini dikenal dengan istilah detail desain dimana seorang design engineer harus membuat dokumen desain berupa blueprint sebuah produk baik setiap komponennya maupun perakitannya. Pada tahapan ini merupakan implementasi dari kemampuan menggambar teknik seorang engineer karena dokumen yang dibuat harus dapat dimengerti oleh bagian manufaktur sehingga tidak terjadi kesalahan dalam pembuatan prototype (produk awal).
Terdapat beberapa aturan dan persyaratan dalam pembuatan blueprint
yaitu
- Harus sesuai standar gambar yang berlaku seperti ISO, ANSI, DIN, JIS dan lainnya
- Terdapat Bill of Material
- Mudah dipahami dan dimengerti (Tidak kompleks) - Menggunakan toleransi dalam pemberian dimensi
- Terdapat tanda pengerjaan khusus serta kekasaran dan kehalusan - Terdapat toleransi geometri
- Bila diperlukan, design engineering dapat menambahkan pandangan khusus seperti auxiliary view, section view, detailed view dan lainnya.
