BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari konsep yang telah dikembangkan, kemudian dilakukan perhitungan pada komponen – komponen yang dianggap kritis sebagai berikut: Tiang penahan beban maksimum 100Kg, sambungan baut pengikat tiang , sambungan pengelasan, roller conveyor, transmisi puli dan belt, dan daya motor listrik yang diperlukan.

4.1 Perhitungan

4.1.1 Perhitungan tiang penahan beban

Sesuai dengan fungsinya yaitu unutuk menahan beban pasien maksimum 100 Kg, maka beban yang terjadi pada tiang dapat digambarkan seperti dibawah ini.

Dimensi tiang: B=75 mm, b=70.4 mm, Y=37.5 mm W=1000N Y = 1 0 0 0

ΣF = 0, ΣFx = 0 ΣFy = 0 -P + F1 = 0 F1 = P F1 = 1000 N Shear Diagram

Momen bengkok yang terjadi pada lengan x-x besarnya dapat dihitung sebagai berikut :

Mb = P x L Mb = 1000 N x 700 mm Mb = 700000 Nmm Momen Diagram F1 700mm X - X B X - X B + -

x

x

Bahan tiang dipilih menggunakan besi pipa persegi (square tube) dengan bahan ST37, nilai 𝞂u maksimum = 370 N/mm2

Safety factor diambil 5 (untuk beban dinamis 2 - 4 atau lebih) dan bearat tiang diabaikan karena pengambilan safety factor yang besar untuk keamanan ekstra dan pembebanan terjadi cukup besar . Maka berat tiang dapat diabaikan karena perubahan yang terjadi tidak terlalu signifikan, maka tegangan tarik ijinnya adalah sebagai berikut:

𝜎𝑡 = 370

5 = 74 𝑁/𝑚𝑚²

Momen Inersia pada penampang x-x pipa persegi yang terjadi dapat dihitung sebagai berikut:

Ix = ₁₂b⁴

−

h⁴ 12

Ix = (75 mm )⁴₁₂

−

(70.4 mm )⁴₁₂ Ix = 31640625 mm4− 24563521 .9456mm ⁴₁₂ Ix = 7077103 .0544 mm ⁴₁₂ Ix = 589758.5878 mm4

Dengan diketahui momen bengkok maksimum dan momen inersia pada penampang x-x pipa persegi, maka tegangan bengkok dapat ditentukan sebagai berikut :

σb = 𝑀𝑏_𝑊𝑏 σb = 𝑀𝑏 . 𝑌 𝐼𝑥 σb = 700000 Nmm . 37,5 mm_{589758 .5878 mm ⁴} σb = _{589758 .5878 mm ⁴}26250000 Nmm ² σb =44.5097 N/mm² Syarat Kuat : σb ≤ σt 44.5097 N/mm² ≤ 74N/mm² (Konstruksi Kuat)

4.1.2 Perhitungan baut pengikat tiang

Tiang penahan beban akan dilas dengan plat dudukan agar dapat dilakukan pembongkaran. Pengikatnya menggunakan empat baut, dua baut berjarak 155mm dan dua baut lainnya berjarak 25m, jadi untuk harga F1 akan dibagi dua sehingga dapat mengetahui gaya yang terjadi pada setiap bautnya. Untuk menentukan ukuran baut yang akan digunakan maka perhitungan baut yang diperlukan dengan beban eksentrik sejajar sumbu baut. Plat dudukan ketebalannya 10mm.

Wo = 1000 N , L = 700 mm L1 = 100 mm L2 = 25 mm Fc = 1,2 𝞂u = 370 N/mm2 Sf = 4 𝞂a = 𝜎𝑢_𝑆𝑓

=

370 𝑁/𝑚𝑚 ²₄ = 92,5 𝑁/𝑚𝑚² τa = 0,5 𝞂a = 0,5 . 92,5 N/mm2 = 46,25 N/mm2 n = 4 baut Ws = 𝑊_𝑛

=

𝑊𝑜 . 𝐹𝑐_𝑛 Ws = 1000 𝑁 . 1,2₄ Ws = 300 N L1 = L3, L2 = L4

Menghitung beban pada setiap baut untuk jarak Ln Wtn = C . Ln

C = _{𝐿1²+ 𝐿2²+ 𝐿3²+𝐿4²} 𝑊 . 𝐿

C = _{100 𝑚𝑚 2+(25 𝑚𝑚 )²+ 100 𝑚𝑚 ²+(25 𝑚𝑚 )²} 1200 𝑁 . 700 𝑚𝑚

C = 840000 𝑁𝑚𝑚_{21250 𝑚𝑚 ²} C = 39.52 N/mm Wt1 = C . L1 Wt1 = 39.52 N/mm. 100 mm Wt1 = 3952 N (max) Wt2 = C . L2 Wt2 = 39.52 N/mm . 25 mm Wt2 = 988 N/mm

Menghitung beban tarik ekivalen

Wte = 1₂ (𝑊𝑡 max) + Wt max2_{+ 4Ws}2 ₎ Wte = 1₂ (3952 N + 3952 N 2_{+ 4(300 N)² )} Wte = 1₂ (3952 N + 15618304 N2_{+ 360000 N² )} Wte = 1₂ (3952 N + 15978304 N² ) Wte = 1₂ (3952 N + 3997, 287 N) Wte = 1₂ (7949,287 N) Wte = 3974, 643 N

Menghitung beban geser ekivalen Wse = 1₂ ( Wt max2_{+ 4Ws}2 ₎ Wse = 1₂ ( 3952 N 2_{+ 4(300 N)² )} Wse = 1₂ ( 15618304 N² + 360000 N² ) Wse = 1₂ ( 15978304 N² ) Wse = 1₂ (3997, 287 N) Wse = 1998, 6435N

Menghitung diameter baut karena beban tarik d1 ≤ 4 .𝑊𝑡𝑒_{𝜋 . 𝜎𝑎} d1 ≤ _{𝜋 . 92,5 𝑁/𝑚𝑚 ²}4 . 3974,643 N d1 ≤ _{290.5973 𝑁/𝑚𝑚 ²}15898,572 N d1 ≤ 54,7099 𝑚𝑚² d1 ≤ 7,396 mm

Menghitung diameter baut karena beban geser d1 ≤ 4 .𝑊𝑠𝑒_{𝜋 .𝜏𝑎}

d1 ≤ _{𝜋 . 46,25 𝑁/𝑚𝑚 ²}4 . 1998,6435 𝑁

d1 ≤ _{145.2986 𝑁/𝑚𝑚 ²}7994,574 𝑁 d1 ≤ 55,0216 𝑚𝑚² d1 ≤ 7, 417 mm

Berdasarkan tabel 4 ukuran standar ulir kasar (JIS B0205), baut yang dipilih adalah baut M10 dengan pertimbangan lebih aman dengan spesifikasi sebagai berikut :

d1 = 8,376 mm D = 10 mm P = 1,5 mm

Dilakukan perhitungan pengecekan tegangan geser yang yang terjadi pada baut agar baut kuat menahan beban yang terjadi :

τb

=

_{𝜋 . 𝑑1 . 𝑘 . 𝑝 . 𝑧}𝑊

τb

=

_{𝜋 . 𝑑1 . 𝑘 . 𝐻}𝑊

τb

=

_{𝜋 . 8,376 𝑚𝑚 . 0,84 . 10 𝑚𝑚}1200 𝑁

τb

=

_{221.0374 𝑚𝑚 ²}1200 𝑁

τb

=

5.4289 𝑁/𝑚𝑚²

Dilakukan perhitungan pengecekan tegangan geser yang yang terjadi pada mura gar baut kuat menahan beban yang terjadi:

τm =

_{𝜋 . 𝑑1 . 𝑗 . 𝑝 . 𝑧}𝑊

τm =

_{𝜋 . 𝑑1 . 𝑗 . 𝐻}𝑊

τm =

_{𝜋 . 8,376 𝑚𝑚 . 0,75 . 10 𝑚𝑚}1200 𝑁

τm =

_{197.3548 𝑚𝑚 ²}1200 𝑁

τm =

6.0804 𝑁/𝑚𝑚²

Tegangan geser yang terjadi pada baut dan mur harus lebih kecil dari tegangan geser yang diijinkan.

τb ,τm < τa

5.4289𝑁/𝑚𝑚² , 6.0804 𝑁/𝑚𝑚2 _{< 46.25 N/mm}2

4.1.3 Perhitungan kekuatan las

Perhitungan sambungan las agar sambungan las tersebut tidak patah saat terjadi pembebanan. Dengan filler metal σy = 350 Mpa, dengan kaki las 3 mm, dan safety factor 3 (dari kisaran 3-6).

L = panjang welding = 70 mm (Pipa persegi 75x75mm) , h = kaki las = 3 mm

Tegangan geser yang diijinkan

𝝉𝒂 =𝝈𝒚 𝑺𝒇 𝝉𝒂 =350

3

𝝉𝒂 = 116,67 𝑁/𝑚𝑚𝟐

A = Luasan Welding = L x troat

troat = 0,707 x kaki las

troat = 0,707 x 3 mm troat= 2,121 mm A = L x troat

A = 70 mm x 2,121 mm A = 148.47 mm2

Gaya max yang dapat diterima

F = τa . A

F = 116,67 N/mm𝟐 _{. 148.47 mm²} F = 17321.9949 N

Tegangan geser yang terjadi

𝝉 = F (beban total 100 kg = 1000 N) A 𝝉 = 1000 N 148.47 mm2 𝝉 = 6.7353 N/mm2 Pengecekan: 𝜏 ≤ 𝜏𝑎 6.7353 N/mm2 _{≤ 116,67𝑁/𝑚𝑚}2 (Sambungan las dinyatakan aman)

4.1.4 Perhitungan daya motor

Sistem penggerak menggunakan motor listrik, daya motor dihitung menggunakan persamaan

P = Ff x V Ff = N x μ

Ff = 1000 N x 0.6 Ff = 600 N (maks)

Mencari daya motor unutuk menggerakkan belt konveyor. Belt bergerak dengan kecepatan 5 km/jam, diambil dari rata-rata manusia bila berjalan kaki biasa. (Marojahan Tampubolon, 2011) P = Ff x V

P = 600 Nx 5 km/jam P = 600 Nx 1,3888 m/s P = 833.28 Nm/s P = 833.28 Watt

Daya motor yang diperlukan untuk menggerakan konveyor, dari motor menggerakan transmisi v-belt yang efisiensi mekanisnya 95% dan efisiensi motor 80%.

Pd = _𝜂𝑚𝑃

Pd = 833.28 Watt_𝜂𝑚

Pd = 833.28 Watt_{95% . 80%} Pd = 1096.4210 Watt Pd = 1.096421 KW

Dari perhitungan daya motor , dipilih motor dengan daya 1 KW dan putaran 1450 rpm

4.1.5 Perhitungan Poros

Perhitungan torsi poros dilakukan agar poros mampu memindahkan daya motor tanpa terjadi perubahan bentuk terhadap porosnya sendiri. Dan lebih lanjutnya untuk menghitung diameter poros yang diperlukan.

P : Daya yang ditransmisikan = 1000 W n : Putaran motor = 1450 rpm Fc : Faktor Koreksi = 1,2

Menghitung daya rencana Pd = P . Fc Pd = 1000 W . 1,2 Pd = 1200 W Menghitung torsi T = 𝑃𝑑_𝑊 T = 2𝜋𝑛𝑃𝑑 60 T = 2 . 𝜋 . 14501200 𝑊 60

1000

T = 72000 𝑊 . 1000_{2 . 𝜋 . 1450} T = 7902,8661 Nmm Menghitung beban lentur

F = 1000 N RA 100 RB 10 C

ΣMA = 0 F . 300 - RB . 600 = 0 1000 N . 300 - RB . 600 = 0 RB = 300000 N₆₀₀ RB = 500 N ΣFy = 0 F = RA + RB 1000 N = RA + 500 N RA = 1000 N – 500 N RA = 500 N Momen di titik C MC = RA . 300 mm MC = 500 N . 300 mm MC = 150000 N mm Shear Diagram Momen Diagram A B C A B C

Tegangan geser yang diijinkan

τa

= _{𝑆𝑓1 . 𝑆𝑓2}𝜎𝑢

τa

= 370 𝑁/𝑚𝑚 ²_{6 . 2}

τa

= 370 𝑁/𝑚𝑚 ²_{6 . 2}

τa

= 30,8333 N/mm²

Perhitungan diameter poros pejal menggunakan factor koreksi momen puntir (Kt = 2) dan koreksi momen lentur (Km = 2)

ds

≥ [

5,1_𝜏𝑎

𝐾𝑚 . 𝑀

2

_{+ 𝐾𝑡 . 𝑇}

2

_]

1₃ ds

≥

[ 5,1 30,8333 𝑁/𝑚𝑚 ² 2 .150000 Nmm 2+ 2 . 7902,8661 Nmm 2] 1 3 ds

≥

[ _{30,8333 𝑁/𝑚𝑚 ²}5,1 300000 Nmm 2 _{+ 15805.7222 Nmm} 2_]1₃ ds

≥

[ 5,1 30,8333_{𝑚 𝑚 2}𝑁 15805,7222 𝑁𝑚𝑚 2_]1₃ ds

≥

13,7759 mm

Poros yang digunakan lebih besar dari 13,7759 mm . Poros yang digunakan berdiameter 20mm agar lebih aman

4.1.6 Perhitungan Transmisi

Daya yang akan ditransmisikan P : 1 Kw Putaran poros motor penggerak n1 : 1450 Rpm Putaran poros mesin/alat n2 : 700 Rpm Jarak antar sumbu poros c : 300 mm Perbandingan putaran (i)

i = 𝑛1_𝑛2 i = 1450 Rpm_{700 Rpm} i = 2.0714

Daya rencana Pd = P . fc Pd = 1 Kw . 1,2 Pd = 1,2 Kw

Dari diagram pemilihan sabuk , sabuk yang dipilih adalah type A.

Dari tabel diameter minimum puli yang diizinkan dan dianjurkan (mm), dipilih diameter dp = 95 mm

Rpm max 1450 rpm

Menghitung din din = dp – 2Ko din = 95 mm – 2 . 8 din = 79 mm Menghitung dout dout = dp + 2K dout = 95 mm + 2 . 4,5 dout = 108 mm Menghitung Dp dp . n1 = Dp . n2 95 mm . 1450 = Dp . 700 Dp = 95 mm .1450₇₀₀ Dp = 196.78 mm Menghitung Din Din = Dp – 2Ko Din = 196.78 mm – 2 . 8 Din = 180.78 mm Menghitung Dout Dout = Dp + 2K Dout = 196.78 mm + 2 . 4,5 Dout = 205.78 mm

Menghitung Kecepatan Belt V = π . dp . n1_{60 s}

V = π . 95 mm . 1450_{60 s} V = 7212.5731 mm/s V = 7.212 mm/s

Pengecekan C (jarak sumbu poros) terhadap diameter puli C = dout +Dout₂

C = 108 mm +205,78 mm₂ C = 156.89 mm

Menghitung kapasitas daya yang ditransmisikan untuk satu sabuk tunggal, Po(kW)

RPM Merk merah (Kw) Harga tambahan karena perbandingan putaran (Kw)

1400 1,54 0,18

1450 ? ?

1600 1,71 0,20

Menggunakan rumus interpolasi

Merk merah (1450 rpm) = 1,54 + 1450−1400_1600−1400 . (1,71 − 1,54 ) Merk merah (1450 rpm) = 1,54 + 0,25 . (0,17) Merk merah (1450 rpm) = 1.5825 Kw Perb. putaran (1450 rpm) = 0,18 + 1450−1400_1600−1400 . (0,20 − 0,18 ) Perb. putaran (1450 rpm) = 0,18 + 0,25 . (0,02) Perb. putaran (1450 rpm) = 0.185 Kw Po = 1.5825 Kw + 0.185 Kw Po = 1.7675 Kw 1450 rpm

Menghitung sudut kontak θ = 180° − 𝐷𝑝−𝑑𝑝_𝐶 . 57°

θ = 180° − 196.78 mm −95 𝑚𝑚_{300 𝑚𝑚} . 57° θ = 180° − 19.3382°

θ = 160.6618°

Menghitung jumlah V-belt N = _{𝑃𝑜 . 𝐾𝑜}𝑃𝑑

N = _{1,7675 𝐾𝑤 . 0,96}1,2 𝐾𝑤 N = 0.70721 ≈ 1 unit Menghitung panjang V-belt

L

=

2 . 𝐶 +𝜋₂ 𝐷𝑝 + 𝑑𝑝 + _4𝐶1 (𝐷𝑝 − 𝑑𝑝)²

L

=

2 . 300 mm +𝜋₂ 196.78 mm + 95 mm +_{4 . 300 𝑚𝑚}1 (196.78 mm − 95 mm)²

L

=

600 mm + 458.3269 mm + 8.6326 mm L

=

1066.9595 mm

Hasil perencanaan belt V-belt menggunakan type A No. 42 (inch)

dp = 95 mm Dp = 196,78 mm N = 1 unit

4.2 Perancangan Detail Alat Fisioterapi Treadmill

Keterangan gambar : 1. Tiang penahan beban 2. Safety hardness 3. Pasien

4. Rangka atas (pegangan pasien) 5. Dek

6. Bearing unit 7. Belt Konveyor 8. Roller

9. Transmisi dan penggerak (Puli, belt dan motor) Gambar 22. Hasil Perancangan Akhir

1 2 3 4 10 9 7 6 5 8

10. Rangka bawah

Perancangan detail alat fisioterapi treadmill disajikan dalam lampiran gambar teknik. Dimulai dari part yang standar dan part yang akan dibuat.

Part standar antara lain : Walking belt, dek, motor listrik, baut dan mur, puli , belt, bearing dan safety hardness

Part yang akan dibuat antara lain : Tiang penahan beban, rangka bawah, rangka atas, roller konveyor

Prinsip kerja alat ini menggunakan ban berjalan (conveyor), pasien berjalan diatas conveyor dengan dipasangkan alat kemanan (body hardness) untuk menahan beban pasien, dan alat pegangan untuk menjaga keseimbangan pasien ketika berjalan. Sebelum memulai proses pastikan kondisi alat siap untuk proses, (mulai dari motor, belt, tiang penahan) untuk keselamatan pasien. Latihan berjalan pasien wajib dibimbing seorang fisioterapis.

4.3 Kontrol kelistrikan proses alat fisio treadmill

Kontrol merupakan bagian yang penting dari alat fisio treadmill. Kontrol dan kelistrikan dari alat ini merupakan control yang sederhana meliputi inverter sebagai pengatur frekuensi motor, emergency stop merupakan penghubung dan pemutus arus dari sumber, dan switch button merupakan penghubung arus dari inverter ke motor. Berikut wiring kelistrikan alat fisio treadmill

4.4 Analisis hasil rancangan

Analisis tegangan yang terjadi pada tiang penahan ketika diberikan beban 1000N, berupa simulasi menggunakan software Catia V5R19. Material menggunakan baja ST 37 (mild steel), yang banyak digunakan di pasaran.

(Sumber : Jurnal Teknik Mesin S-1. 3(1) : 23 – 29)

Analisa menggunakan pendekatan Von Mises dengan membandingkan Nilai tegangan maksimum yang terjadi dengan kekuatan luluh material.

𝜎_{𝑒 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚} ≤ 𝑆𝑦

𝑁 (34)

Dimana :

𝜎𝑒 : Tegangan yang terjadi awal kerusakan/kegagalan N : Faktor keamanan

Agar material tidak terjadi kegagalan maka tegangan equivalent (tegangan Von-Mises) yang terjadi tidak boleh melebihi dari ( Sy / N ), jika tegangan equivalent atau tegangan Von Mises masih di bawah tegangan yang diijinkan, dengan kata lain rangka aman untuk digunakan. Analisa yang dilakukan sebagai berikut :

Dari hasil analisa tegangan menggunakan software software Catia V5R19, didapatkan tegangan minimum yang terjadi pada tiang penahan adalah 4921604 N/m2 dan tegangan maksimum yang terjadi adalah 49216040 N/m2, Kekuatan luluh material adalah 220594000 N/m2, Dimana :

𝜎𝑒 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 ≤ 𝑆_𝑁𝑦

49216040 N/m² ≤ 220594000 N/m² . 4

49216040 N/m² ≤ 55148500 N/m2

Hasil analisis tegangan tiang penahan dinyatakan aman (rancangan aman) Gambar 21. Gambar Analisa Tiang penahan Beban

(Pendekatan Von Mises)

Beban 1000 N Tegangan Maksimum 49216040 N/m2 49216040 N/mm2 Tegangan Minimum 4921604 N/m2 49216040 N/mm2