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

Motor bakar satu silinder menggunakan mekanisme engkol luncur dalam pengoperasiannya. Untuk aplikasi mekanisme ini pada sebuah motor bakar, usaha

.

(3)

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 Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Torak

Gambar 2.4 Geometri engkol peluncur

Seperti yang terlihat pada gambar 2.4 Torak P bergerak sepanjang silinder, dengan posisi X. Perpindahan X dimulai dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB).

x = (R+L)-(R Cos θ + L Cos η)

= R(1-Cos θ) + L(1-Cos η) (2.1)

Dengan menggunakan aturan Sinus pada  OCP, L Sin η = R Sin θ

Sin η = Sin θ (2.2)

Dengan menggunakan rumus identitas trigonometri dari dan mensubsitusikan persamaan (2.2),

Cos η = (2.3)

X

TMA

L

R

-L

Sin β = R Sin θ

R + L

(5)

Persamaan (2.3) dapat disederhanakan untuk memudahkan perhitungan selanjutnya dengan menggunakan deret binomial,

=

Dimana B =

Pada penggunaan secara umum, ketelitian yang cukup dapat diperoleh dengan menggunakan dua orde pertama dari deret binomial tersebut dan menghilangkan factor-faktor yang mendekati nol. Dengan menerapkan deret ini ke persamaan (2.3) menghasilkan :

Cos η = (2.4)

Dengan mensubsitusikan persamaan (2.4) ke persamaan (2.1) didapat,

(2.5)

Sehingga perpindahan posisi torak x adalah,

Turunan pertama dari x terhadap waktu adalah kecepatan maka,

(2.6)

(6)

(2.7) Dengan mensubsitusikan persamaan (2.7) ke persamaan (2.6),

(2.8)

(2.9)

Sehingga kecepatan piston,

Turunan pertama dari kecepatan piston vp atau turunan kedua dari posisi piston x

adalah percepatan piston ap

(2.10)

Sehingga percepatan piston adalah, .

(7)

2.4. Analisa Gaya Bearing Pen

Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada peluncur dapat dilihat pada gambar 2.5. Metode yang digunakan seperti bahan rujukan, jurnal analisa kinematika dan kinetic motor Nissan oleh Rajkorbahan, dengan menggunakan metoda newton.

Gambar 2.5 Diagram benda bebas piston

Pada gambar 2.5 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, (2.11) P Fg mpap Fpy Fpx Wp N

(8)

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

bekerja pada dinding silinder.

Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung atau connecting rod dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6 Diagram benda bebas connecting rod

Dari gambar 2.6 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.

Fpx Fcx mc.acgx mc.acgy Fpy Wc Fcy

η

C G P -Izz.α2

(9)

(2.12) (2.13) Karena FCY dan FPY

belum diketahui, dengan menggunakan momen pada titik G.

(10)

Sehingga dapat diketahui FCY

(2.15)

I

,

zz didapat dari hasil pengukuran dengan menggunakan software SOLIDWORKS.

Gambar 2.7 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.

(2.14) Fcx Frx Fry Fcy mpe.agpy mpe.agpx Wpe

(11)

2.5. 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 2.8 Diagram benda bebas crankshaft

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

T FCX FCY θ C O R

(12)

2.6. Gaya Tekan Pada Permukaan Piston

Pada siklus Otto gambar 2.9, energi 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.

(13)

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

(2.17)

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,

Berdasarkan Md Adams Help, Md adams adalah software MSC berbasis Computer Aided Engineering (CAE) yang fungsi utamanya multi disiplin ilmu yang mengintegrasikan sistem-sistem seperti komponen-komponen mekanik, pneumatik, hidrolik, elektronik dan sistem kontrol teknologi yang memungkinkan

2

D = Diameter piston (cm)

2.7 Md ADAM

(14)

para insinyur untuk membangun dan menguji prototipe secara virtual menjelaskan interaksi antara subsistem.

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.

(15)

Berikut penggunaan Adams/ View :

Start menu, Programs, MSC.Software, MD Adams 2010, AView,

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

Adams - View

Gambar 2.10 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.

Tabel 2.1 : 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

(16)

• 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

Proses Pemodelan

Tahap-tahap pada pengerjan adams/ View adalah :

Gambar 2.11 Proses pemodelan

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

(17)

Adams/ View

Berikut tampilan adams/ View pada jendela utama.

Gambar 2.12 Window pada ADAM/ View Tool Box Adams/ View

Tabel 2.2 : Deskripsi Tool

Ikon Deskripsi

Tool seleksi

Pemodelan bentuk-bentuk geometri

Tool pengukuran

Undo dan Redo

Tool sambungan

(18)