BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pendahuluan

Bab ini memberikan gambaran umum tentang latar belakang pengertian pembangkitan gaya pada mekanisme sebuah mesin bolak-balik (reciprocating

engine).

Gambar 2.1 Reciprocating Engine Dari gambar :

1. Piston 3. Poros engkol 2. Connecting rod

1

2

(2)

Gambar 2.2 Diagram benda bebas mekanisme engkol luncur

Dari gambar 2.2 menunjukkan diagram benda bebas sebuah mekanisme engkol luncur. Torak P yang mengalami percepatan akan menghasilkan gaya inersia (Fi), Fi merupakan gaya inersia yang bekerja pada pusat torak P, yang

besarnya adalah Fi = mp . ap, dimana mp massa keseluruhan piston dan ap adalah

percepatan piston. Sehingga gaya yang menekan piston Fpx jumlah gaya inersia

yang bekerja pada piston dan tekanan gas yang dihasilkan pada pembakaran pada permukaan piston. Gaya ini mengakibatkan poros engkol bergerak dengan kecepatan konstan ω1. Dan juga mengakibatkan batang penghubung (connecting

rod) bergerak dengan kecepatan angular ω2 dan mengalami percepatan angular

α2.

(3)

Motor bakar satu silinder menggunakan mekanisme engkol luncur dalam pengoperasiannya. Untuk aplikasi mekanisme ini pada sebuah motor bakar, usaha hasil pembakaran bahan bakar dan oksigen berekspansi akan mendorong torak yang dilanjutkan ke batang penghubung yang akan memutar poros engkol, yang kemudian diidealisasikan akan menghasilkan putaran konstan dengan bantuan sebuah roda gila (fly wheel).

Gambar 2.3 memperlihatkan skema dari mekanisme engkol peluncur horizontal. O adalah kerangka tetap, R adalah radius poros engkol yang bergerak rotasi yang terpusat di O dan L adalah batang penghubung dan P adalah peluncur, yang mana pada kasus ini torak meluncur sepanjang silinder atau bergerak translasi. θ adalah sudut gerak poros engkol. η adalah sudut perubahan batang hubung terhadap torak. Dan G adalah titik berat batang hubung.

(4)

2.3. Persamaan Kecepatan, dan Percepatan Angular Connecting Rod

Gambar 2.4 Geometri engkol peluncur

Perubahan sudut η tiap satuan waktu merupakan kecepatan angular

connecting rod dan tiap perubahan kecepatannya merupakan percepatan angular connecting rod. Persamaan ini didapat berdasarkan (Theory of Machine, Rs.

Khurmi dan J.K. Gupta)

Dengan menggunakan persamaan sinus pada  OCP, seperti pada gambar 2.4. Dimana

X

TMA

L

R

L

Sin η = R Sin θ

R + L

(5)

Didapatkan kecepatan angular connecting rod ,

(2.1)

Dengan mensubsitusikan persamaan ke persamaan diatas dapat ditulis persamaan kecepatan angular connecting rod , Dengan menyederhanakan

(2.2)

Turunan pertama kecepatan angular connecting rod PC terhadap waktu adalah percepatan angular PC.

Dengan menurunkannya terhadap waktu, dan memecah persamaan diatas menjadi beberapa, sehingga memudahkan perhitungan.

Turunan kecepatan angular connecting rod dapat ditulis sebagai berikut. Bagian 1.

(6)

Karena kecepatan angular poros engkol adalah tetap, maka percepatan angular poros engkol dianggap konstan atau 0

Bagian 2.

Bagian 3.

Bagian 4.

Dengan menjumlahkan tiap bagian, sehingga didapatkan turunan kecepatan angular connecting rod terhadap theta (θ).

(7)

Maka persamaan diatas dapat ditulis,

Sehingga,

Dengan menurunkannya terhadap waktu, maka percepatan angular connecting rod

Percepatan angular connecting rod,

(2.3)

(8)

2.5. Persamaan Percepatan Titik Berat Pada Connecting Rod

Gambar 2.5 Posisi Titik Berat Connecting Rod Pada Mekanisme Engkol Luncur

Untuk menentukan gaya inersia pada titik G atau pusat gravitasi connecting rod, kita perlu menentukan percepatan absolut pada titik G. Pada sub-bab ini akan ditentukan percepatan G dimana saja berdasarkan perubahan sudut yang dibentuk

connecting rod terhadap poros engkol. Dengan mengacu pada percepatan pada

titik C. Dan berdasarkan referensi (vector mechanic dynamic, 9th

(2.4)

Ed. F.Beer).

Dimana, ac adalah percepatan pada titik C, dan rg/c adalah posisi dimana saja

disepanjang connecting rod. Dengan melihat gambar 2.5, titik C bergerak rotasi berpusat pada titik O.

(9)

ω

1

Gambar 2.6 Posisi vector C rc

Dengan menurunkan persamaan posisi pada titik C dua kali didapatkan persamaan percepatan pada titik C atau a

merupakan letak atau posisi titik C, atau merupakan sambungan poros engkol dan connecting rod.

(2.5)

c

Untuk mencari persamaan percepatan titik berat pada poros engkol, dan karena jarak titik berat poros engkol adalah R/2, maka percepatan titik berat pada poros engkol adalah.

O

C

θ

(10)

(2.6)

Untuk menentukan rg/c sepanjang connecting rod CP dapat dilihat pada gambar

2.6 dimana CG adalah u.

Gambar 2.7 Posisi vector G

(2.7)

Kemudian persamaan (2.5) dan persamaan (2.7) disubsitusikan kepersamaan (2.4) didapatkan, persamaan percepatan titik G.

Untuk percepatan horizontal pada titik G,

(2.8)

Dan untuk percepatan vertikal pada titik G,

(2.9) C O G P

θ

_η

η

(11)

2.6. Analisa Gaya Pada Main Bearing

Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada peluncur dapat dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Diagram benda bebas piston

Pada gambar 2.8 dapat dilihat bahwa FPY merupakan gaya yang terjadi pada titik

P untuk komponen vertikal dan FPX merupakan gaya yang terjadi pada titik P

untuk komponen horizontal. Karena HONDA REVO menggunakan mesin untuk tipe horizontal, sehingga gaya yang ditimbulkan akibat pembakaran gas Fg dan

gaya inersia yang ditimbulkan mpap

dikategorikan menjadi komponen horisontal.

Sehingga,

(2.10)

Sedangkan pada komponen vertikal terdapat berat piston wp dan N gaya yang

bekerja pada dinding silinder.

P Fg mpap

Fpy

Fpx

Wp N

(12)

Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung atau

connecting rod dapat dilihat pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Diagram benda bebas connecting rod

Dari gambar 2.9 dapat dilihat connecting rod CP, yang mengalami percepatan angular yang arahnya searah sumbur-z menimbulkan momen inersia Izz. Pada

connecting rod CP juga terdapat gaya yang terbagi menjadi komponen vertikal

dan horizontal. FCX merupakan gaya pada titik C untuk komponen horizontal,

sedangkan pada komponen horizontal terdapat FPX dan mc.acgx yang merupakan

gaya inersia untuk komponen horizontal pada connecting rod. Sedangkan FCY

yang merupakan gaya pada titik C untuk komponen vertikal. Komponen vertikal pada batang hubung ini adalah WC berat batang hubung dan mc.acgy

gaya inersia untuk komponen vertikal.

(2.11) Fpx Fcx mc.acgx mc.acgy Fpy Wc Fcy

η

C G P -Izz.α2

(13)

(2.12)

Karena FCY dan FPY

belum diketahui, dengan menggunakan momen pada titik G.

Karena U + S = L, maka

Sehingga dapat diketahui FCY

(2.14)

I

,

zz didapat dari hasil pengukuran dengan menggunakan software SOLIDWORKS.

(14)

Gambar 2.10 Diagaram benda bebas poros engkol

Gambar diatas merupakan diagram benda bebas untuk poros engkol, analisa yang dilakukan pada poros engkol dengan mengganggap titik berat poros engkol R/2, dan poros engkol tanpa beban imbang counter weight. Karena poros engkol dianggap berputar pada kecepatan konstan, sehingga percepatan sudut poros engkol dianggap nol.

Fcx Frx Fry Fcy mpe.agpy mpe.agpx Wpe

(15)

2.7. Analisa Torsi

Analisa torsi kali ini berdasarkan referensi dari jurnal seperti yang terdapat pada lampiran. Dimana torsi yang terjadi pada mekanisme engkol luncur kali ini adalah gaya-gaya komponen horizontal FCX dan vertikal FCY pada titik C

dikalikan panjang dari poros engkol itu sendiri.

Gambar 2.11 Diagram benda bebas crankshaft

Sedangkan untuk memperoleh gaya yang ditimbulkan oleh gas dengan menggunakan tekanan efektif rata-rata pada siklus otto.

2.8. Gaya Tekan Pada Permukaan Piston T FCX FCY θ C O R

(16)

Pada siklus Otto, energy yang dihasilkan berasal dari pembakaran antara campuran bahan bakar. Hasil pembakaran akan menghasilkan tekanan gas yang menekan piston, kemudian diteruskan sampai poros engkol untuk menghasilkan tenaga. Gaya tekan pada siklus Otto bergantung pada tekanan gas yang terjadi akibat ledakan dari pembakaran bahan bakar. Karena selama siklus Otto tekanan dan temperatur selalu berubah-ubah tiap perubahan sudut gerak poros engkol maka sebaiknya dicari harga tekanan konstan yaitu tekanan efektif rata-rata.

Gambar 2.12 Siklus OTTO (sumber : Thermodynamic 6th

Untuk menghitung tekanan gas rata-rata yang terjadi pada siklus Otto dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Internal Combustion Engine

(17)

Fundamentals, Heywood John-B)

Dimana,

P = Daya efektif (kW)

Peff = mean efektif pressure (kPa) Vd = Volume silinder (dm3)

N = Putaran poros engkol (R.P.S) nR

(2.16)

Dimana,

A = Luas permukaan kepala piston = (π/4).D

= 2 (Motor 4 tak)

Dan secara matematis gaya yang ditimbulkan hasil pembakaran pada permukaan torak adalah,

(2.15)

2

D = Diameter piston (cm)

2.9 Md ADAM

Berdasarkan Md Adams Help, Md adams adalah software MSC berbasis

Computer Aided Engineering (CAE) yang fungsi utamanya motion analysis and dynamic analysis multi disiplin ilmu yang mengintegrasikan sistem-sistem seperti

komponen-komponen mekanik, pneumatik, hidrolik, elektronik dan sistem kontrol teknologi yang memungkinkan para insinyur untuk membangun dan menguji prototipe secara virtual menjelaskan interaksi antara subsistem.

(18)

Md adams software yang dapat meningkatkan efisiensi teknik dan dapat mengurangi biaya pengembangan produk dengan melakukan validasi lebih awal. Insinyur dapat mengevaluasi dan mengelola interaksi tiap disiplin ilmu seperti gerakan, aktuasi, dan pengendalian agar produk bekerja lebih optimal seperti kinerja, keamanan, dan kenyamanan. Seiring dengan kemampuan analisis yang luas

Produk-produk yang terdapat pada MD Adams 2010 diantaranya : • Adams/ Car • Adams/ Chassis • Adams/ Driveline • Adams/ Flex • Adams/ Insight • Adams/ PostProcessor • Adams/ View

Pada analisa kinematika dan dinamika mekanisme engkol luncur akan menggunakan salah satu produk adams yaitu Adams/ View. Adams/ View adalah produk Adams yang sangat powerful dalam bentuk pemodelan dan simulasi. Pengguna Adams dapat membangun dan mensimulasikan sebuah model yang memiliki part yang bergerak.

Berikut penggunaan Adams/ View :

(19)

Gambar 2.13 Membuka ADAMS/ View Membuat Model

Saat memulai adams/ View, adams/ View akan menampilkan window berupa

welcome dialogue box yang memberi pilihan pada pengguna apakah membuat

sebuah model yang baru atau membuka model yang telah ada.

1. Memilih salah satu pilihan yang terdapat pada window seperti pada tabel berikut :

Tabel : Tampilan pilihan pada window ADAMS/ VIEW

Pilihan Pada Tabel Fungsi

Create a New Model Membuat sebuah model yang baru

Open an Existing Database Membuka model yang telah ada

Import File Membuka model dari database adams

yang telah ada.

Exit Keluar dari adams/ View

2. Jika memilih membuat model yang baru, terdapat pilihan penggunaan gravitasi pada model,

• Earth Normal : Gravitasi normal sebesar 1 G • No Gravity : Tidak menggunakan gravitasi • Other

3. Menyeleksi satuan yang akan digunakan. • MMKS : millimeter, kilogram, secon • MKS : meter, kilogram, second • CGS : centimeter, gram, dyne • IGS : inci, slug, pound gaya 4. Pilih OK

(20)

Tahap-tahap pada pengerjan adams/ View adalah :

Gambar 2.14 Proses pemodelan

Tahap pertama yang dilakukan adalah membangun model, melakukan percobaan pada model, peninjauan pada model, dan dilakukan pengembangan terhadap model jika diperlukan.

Adams/ View

Berikut tampilan adams/ View pada jendela utama.

Gambar 2.15 Window pada ADAM/ View

(21)

Tool Box Adams/ View

Tabel : Deskripsi Tool

Ikon Deskripsi

Tool seleksi

Pemodelan bentuk-bentuk geometri

Tool pengukuran

Undo dan Redo

Tool sambungan