Materi minggu ke 15.
DASAR-DASAR PERENCANAAN KOMPONEN MOTOR BAKAR 1. Dasar Perhitungan Konstruksi
Untuk dapat mengetahui dasar perhitungan konstruksi motor, lebih dahulu perlu diketahui macam dan jenis-jenis beban yang bekerja pada tiap-tiap bagian motor. Jadi untuk menentukan perhitungan konstruksi motor dapat ditinjau dari jenis atau macam beban/gaya yang bekerja pada komponen tersebut.
a. Beban tekan yang bekerja pada torak, batang torak dan pena torak.
b. Momen bengkok dan momen puntir yang bekerja pada poros engkol Beban yang bekerja pada komponen motor dapat bersifat beban statis dan beban dinamis. Beban statis (diam) yang besarnya tetap, untuk komponen- komponen motor hampir dapat dikatakan tidak ada, kecuali pada fondasi, untuk motor statis.
Beban dinamis yang mempunyai perubahan besar dan cepat dapat dibagi atas:
Beban yang menumbuk (kejut) dengan perubahan antara nol sampai suatu harga maksimum tertentu; beban ini terjadi pada tutup silinder dan torak.
Beban berubah-ubah antara harga minimum dan harga maksimum;
beban ini bekerja pada pena torak dan batang torak.
2. Merencanakan Torak
Untuk merencanakan konstruksi torak dari suatu motor, yang dipentingkan adalah perhitungan kekuatan torak yang meliputi: badan torak dan kepala torak.
a. Badan Torak
Tekanan torak maksimum pada dinding pelapis silinder yang disebabkan oleh tekanan gas yang ditimbulkan karena pembakaran adalah sama dengan tekanan normal N (lihat Gambar di bawah)
Gambar …(9-103, p. 176)
𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑧. 𝑡𝑔𝜃 ....kg 𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 0,08. 𝑃𝑧 jika 𝜆 =1
5
𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 0,1. 𝑃𝑧 jika 𝜆 =1
4
Dimana: 𝜆 = 𝑟
𝑙
r: jari-jari engkol
l: panjang batang penggerak
Tekanan sisi spesifik maksimum pada permukaan badan torak:
𝑞𝑁= 𝑁𝑚𝑎𝑥𝐴 …..kg/cm2
Dimana A adalah luas proyeksi dari badan torak yang menekan pelapis silinder.
Jadi 𝐴 = 𝐷. 𝑙𝑠 …..cm2
Dimana 𝐷: diameter torak, 𝑙𝑠: panjang badan torak
Nilai yang diijinkan untuk motor 4 tak adalah sebagai berikut:
Motor kecepatan rendah 𝑞𝑁= 1,8-2,8 kg/cm2 Motor kecepatan sedang 𝑞𝑁= 3-3,5 kg/cm2 Motor kecepatan tinggi 𝑞𝑁= 5-7 kg/cm2 b. Kepala Torak
Untuk mendapatkan perhitungan yang sederhana, diasumsikan bahwa kepala torak merupakan pelat lingkaran yang terletak di bagian atas torak, dan bergaris tengah D (gambar… 9-104, p. 178)
Gambar…. Gaya-gaya yang bekerja pada kepala torak (gb. 9-104, p.
178)
Demikian juga gaya dari tekanan gas maksimum 𝑃𝑧 (P, huruf besar) terbagi merata di atas permukaan kepala torak, sehingga pada setengah luas lingkaran kepala torak menerima beban sebesar:
𝐹𝑐𝑔= 𝑃2𝑧 = 𝜋.𝐷82 . 𝑝𝑧
Perhatikan: Pz (P huruf besar) adalah gaya; pz (p huruf kecil) adalah tekanan.
Bila gaya ini diletakkan pada titik berat dari luas setengah lingkaran kepala torak dengan beban terbagi rata dan ditempatkan di sepanjang garis tengahnya (D), maka momen yang ditimbulkan oleh gaya ini adalah:
𝑀𝑏′= 𝐹𝑐𝑔 . 𝑎 = 𝜋.𝐷2
8 . 𝑝𝑧 .2𝐷
3𝜋 = 𝐷3
12 . 𝑝𝑧 Dimana 𝑎 = 2𝐷
3𝜋 adalah jarak dari titik berat luas setengah lingkaran ke titik tengah kepala silinder.
Gaya-gaya reaksi terbagi rata di atas pinggiran setengah lingkaran dari kepala torak dan besarnya sama dengan gaya aksi ∑𝑅 = 𝐹𝑐𝑔
Dengan menganggap bahwa gaya reaksi bekerja pada titik berat setengah lingkaran, maka momen yang disebabkan oleh gaya reaksi:
𝑀𝑏" = −𝐹𝑐𝑔 . 𝑏 = −𝜋.𝐷2
8 𝑝𝑧𝐷𝑖
𝜋 = −𝐷2.𝐷𝑖
8 𝑝𝑧
Dimana 𝑏 = 𝐷𝑖
𝜋 adalah jarak dari titik berat setengah lingkaran ke titik tengah lingkaran.
𝐷𝑖: garis tengah rata-rata dari kepala torak.
Jumlah/resultan momen bengkoknya adalah:
𝑀𝑏 = 𝑀𝑏′+ 𝑀𝑏" =𝐷3
12𝑝𝑧−𝐷2. 𝐷𝑖 8 𝑝𝑧
Bila harga 𝐷 = 𝐷𝑖 maka dapat dituliskan: 𝑀𝑏 = −𝐷3
24𝑝𝑧 Tegangan bengkok dapat dihitung: 𝜎𝑏 =𝑀𝑏
𝑊𝑏
Bila kepala torak dianggap rata dan tidak mempunyai rusuk, maka besarnya : 𝑊𝑏 = 𝐷 .𝛿2
6 dimana: 𝜹 adalah tebal kepala torak.
Untuk bermacam-macam beban, maka harga tegangan bengkok yang diijinkan adalah sebagai berikut:
Besi tuang = 350-400 kg/cm2 Baja = 600-1000 kg/cm2 Paduan aluminium= 500-900 kg/cm2 3. Merencanakan Batang Torak
Gaya yang disebabkan oleh tekanan gas pada torak, dan juga gaya kelembaman dari torak beserta batang torak yang bergerak bolak-balik menyebabkan beban berubah-ubah.
Dalam perhitungan batang torak dibatasi pemeriksaan kekuatan dari tangkai, tempat pena torak (kepala kecil), tempat pena engkol (kepala besar) serta baut-baut pengikatnya.
# Ruangan ini sengaja dikosongkan #
Seperti disebutkan di atas, bahwa batang torak akan menderita gaya tekanan gas 𝑃𝑧, gaya kelembaman dari massa batang yang bergerak bolak- balik 𝑃𝑓. Ketika torak berada di TMA dan pada saat penyalaan bahan bakar, maka batang torak ditekan oleh sejumlah gaya.
𝑃 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ = 𝑃𝑧-𝑃𝑓
sehingga tegangan tekan yang disebabkan oleh gaya tersebut adalah:
𝜎𝑝= 𝑃𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ𝑎
Dimana: a : luas penampang yang paling kecil dari tangkai batang torak.
Tegangan yang diijinkan untuk:
Baja zat arang 𝜎𝑝= 800-1200 kg/cm2 Baja paduan 𝜎𝑝= 1200-1800 kg/cm2
Kestabilan terhadap peristiwa tekukan dari batang penggerak dapat
diperiksa dengan rumus empiris untuk kolom terhadap tekukan pada beban kritis:
Baja tuang: 𝑃𝑐𝑟= (3350 − 6,2.𝑙
𝜌).𝑎 kg.
Baja dengan 5% nikel: 𝑃𝑐𝑟= (4700 − 23𝑙
𝜌).𝑎 kg.
Dimana:
𝑙 = panjang batang torak, antara sumbu poros bagian ujung yang besar dan ujung yang kecil, dalam cm
𝜌 = √𝐼
𝑎 : angka kelangsingan dari penampang batang torak
𝐼: momen kelembaman minimum pada penampang batang torak, dalam cm4.
𝑎: luas penampang dalam cm2
Untuk penampang pejal bulat: 𝜌 = √𝜋.𝑑4.4
64.𝜋.𝑑2 = 𝑑
4 𝑐𝑚 Untuk penampang berlubang: 𝜌 = 4 1 √𝑑2+ 𝑑𝑜2 cm Faktor keamanan untuk kolom: 𝑆𝑐 =𝑃𝑐𝑟
𝑃𝑧
Dalam praktik, faktor keamanan tersebut untuk:
Baja karbon Sc= 4 - 8 Baja paduan Sc= 2,5 – 4
Momen terbesar yang diterima oleh batang torak adalah:
𝑀𝑚𝑎𝑥 = ( 𝑛 1200)
2
𝛾. 𝑟. 𝑎. 𝑙2 n= putaran engkol (put/menit) r= jari-jari engkol (cm)
l= panjang batang torak (cm) a= luas penampang lintang (cm2) 𝛾= berat jenis material (kg/cm3)
Materi minggu ke 16, lihat halaman berikut.
Materi minggu ke 16.
4. Merencanakan Pena Torak
Gaya maksimum dari tekanan gas 𝑃𝑧= 𝑝𝑧.𝐴 diterima oleh pena torak terbagi merata di atas seluruh panjang permukaan kerjanya. Sedangkan pena torak mendukung di tengah-tengah dari bus (lihat gambar 9-105)
Gambar 9-105 Maka momen bengkok maksimum:
𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑧
2 (𝐿1
2 −𝐿
4)
Dimana: 𝐿1: jarak antar pusat-pusat bos (sama dengan panjang pena torak)
𝐿: jarak antar sisi dalam bos (lihat gambar 9-105 p. 181) Momen tahanan bengkok 𝑊𝑏 adalah:
𝑊𝑏 = 𝜋
32(𝑑𝑜4− 𝑑𝑖4 𝑑𝑜 )
Dimana: 𝑑𝑜: diameter luar pena torak 𝑑𝑖: diameter dalam pena torak Tegangan bengkok:
𝜎𝑏 =𝑀𝑚𝑎𝑥 𝑊𝑏 =
𝑃𝑧 2 (
𝐿1 2 −
𝐿 4) 𝜋
32(
𝑑𝑜4− 𝑑𝑖4 𝑑𝑜 )
Tegangan bengkok yang diijinkan 𝜎̅𝑏 (kg/cm2) untuk:
Baja zat arang = 900-1200 Baja paduan = 1500-2300
Tegangan geser pena torak pada penampang melintang dalam bos:
𝜎𝑠= 𝑃𝑧
2𝑓
dimana f: luas penampang lintang pena torak.
Tegangan geser yang diijinkan ≤ 500 kg/cm2
Ukuran pena torak dan bus harus diperiksa dengan tekanan spesifik:
𝑞𝑝= 𝑃𝑑.𝑙𝑧 (untuk pena)
𝑞𝑏= 2𝑑.𝑎𝑃𝑧 (untuk bos) Dimana a: panjang bos
Tekanan spesifik yang diijinkan pada bantalan luncur (blok bantalan):
𝑞𝑝= 120 – 200 kg/cm2 (dilapis babit) 𝑞𝑝= 200 – 250 kg/cm2 (dilapis perunggu) Pada bantalan jarum: 𝑞𝑝= 300 – 600 kg/cm2
Tekanan spesifik yang diijinkan pada torak yang menggunakan sungkup (boss socket):
Besi tuang 𝑞𝑏= 250 - 450 kg/cm2 Paduan Aluminium 𝑞𝑏= 250 – 350 kg/cm2 5. Merencanakan Ring Piston
Lebar ring piston: 𝑏 ≈ (0,029 − 0,033)𝐷 Tebal ring piston: ℎ = (0,6 − 1,0)𝑏 Dimana D: diameter silinder mesin
Jarak ring pertama sampai ke kepala piston (piston crown):
Mesin kecepatan rendah: 𝑙𝑒= (0,15 − 0,30)𝐷 Mesin kecepatan tinggi : 𝑙𝑒= (0,10 − 0,18)𝐷
Momen bengkok yang terjadi pada penampang AB yang terletak berlawanan dengan sambungan ring, adalah:
𝑀𝑏≈𝐷. 𝑏. 𝑝𝑠𝑝x𝐷
2 = 𝐷2
2.𝑏. 𝑝𝑠𝑝
Tegangan bengkok:
𝜎𝑏= 𝑀𝑊𝑏= 𝐷2.𝑏.𝑝𝑠𝑝.6
2.𝑏.ℎ2 = 3𝑝𝑠𝑝.𝐷2
ℎ2 kg/cm2
Dimana 𝑝𝑠𝑝 adalah tekanan spesifik ring terhadap dinding silinder liner.
Gambar … (Fig. 143 hal 374 MICE)
Tegangan tarik yang diijinkan pada penampang lintang ring piston dari besi tuang: 𝜎𝑡= 1000 − 1500 kg/cm2
Tekanan spesifik ring terhadap dinding silinder:
𝑝𝑠𝑝= 0,45 − 0,7 kg/cm2 (untuk ring kompresi) 𝑝𝑠𝑝= 0,15 − 0,25 kg/cm2 (untuk ring oli)
Bila ring telah dipasang pada piston, maka tegangan pada penampang lintang AB akan naik/meningkat, persamaannya:
𝜎𝑏 = 1,6. 𝐸.( ℎ
𝐷−ℎ+𝜋𝑙) kg/cm2
Dimana: 𝑙 = celah ring ketika sedang dipasang pada piston E= 800000kg/cm2 untuk besi tuang
Tegangan bengkok yang diijinkan: 𝜎𝑏 = 1800 kg/cm2 6. Kepala Silinder
Pada waktu motor hidup, kepala silinder mendapat tekanan dari gaya tekan gas Pz dan oleh gaya pengencangan baut kepala silinder Fd. Selain itu dasar kepala silinder di salah satu sisinya terkena panas dari gas pembakaran, dan pada sisi dalam mendapat suhu rendah dari pendinginan. Jadi kepala silinder harus diperiksa untuk tekanan yang diakibatkan oleh gaya-gaya Pz
dan Fd serta tekanan panas yang disebabkan adanya perbedaan suhu pada permukaan dasar bagian bawah.
a. Tekanan yang disebabkan oleh gaya Pz dan Fd
Diumpamakan bahwa kepala silinder itu adalah plat bulat/lingkaran, dan gaya Fd dari luar dibagi merata sepanjang lingkaran jarak pada baut kepala silinder, sementara Pz menekan pada dasar permukaan sebelah dalam secara merata. Dimisalkan gaya Pz adalah resultan gaya tekan yang bekerja pada titik berat bidang setengah lingkaran dengan jari-jari Rf, di mana:
𝑅𝑓 =𝐷𝑓 2
Jarak dari titik berat luas setengah lingkaran ke titik pusat lingkaran adalah:
𝑆𝑧 = 2 3 .𝐷𝑓
𝜋
Momen bengkok dari gaya 𝑃𝑧2 pada diameter kritis sampai pada sumbu katup adalah:
𝑀𝑏𝑧= 𝑃𝑧2 . 𝑆𝑧 = 𝑃𝑧 .𝐷𝑓3 .𝜋
Gambar … Gaya pada Kepala Silinder
Diumpamakan juga bahwa gaya Fd adalah sama dengan jumlah dua gaya 𝐹𝑑2 yang masing-masing bekerja pada baut yang terdistribusi membentuk setengah cincin yang berjari-jari:
𝑅𝑑 =𝐷𝑑
2
Karena jarak dari titik berat setengah cincin ke pusat kepela silinder adalah:
𝑆𝑑 =𝐷𝑑
𝜋
Maka momen bengkok dari gaya 𝐹𝑑2 pada bagian kritis adalah:
𝑀𝑏𝑑 =𝐹𝑑 . 𝐷𝑑 2𝜋
Gaya-gaya 𝑃𝑧2 dan 𝐹𝑑2 menyebabkan terjadinya reaksi pada pertemuan kepala silinder dengan lapisan silinder. Reaksi ini terbagi merata di atas setengah cincin yang berjari-jari 𝑅𝑓 =𝐷𝑓
2
Sebagaimana perhitungan di muka, gaya 𝐹 =𝐹𝑑
2 −𝑃𝑧
2 yang bekerja pada titik berat setengah cincin yang berjari-jari 𝑅𝑓 dengan jarak ke titik pusat silinder: 𝑆𝑓 = 𝐷𝑓
𝜋
Oleh karena itu momen bengkok dari gaya F adalah:
𝑀𝑏𝐹= 𝐹. 𝑆𝑓 =(𝐹𝑑 − 𝑃𝑧)𝐷𝑓 2𝜋
Momen jumlah untuk kepala silinder yang berbentuk bulat dan polyhedral:
𝑀𝑏 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ = 𝑀𝑏𝑧 + 𝑀𝑏𝑑 + 𝑀𝑏𝑓 𝑀𝑏 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ =𝑃𝑧. 𝐷𝑓
3𝜋 −𝐹𝑑. 𝐷𝑑
2𝜋 +(𝐹𝑑 − 𝑃𝑧)𝐷𝑓
2𝜋 =
3𝐹𝑑(𝐷𝑑− 𝐷𝑓)− 𝑃𝑧∙ 𝐷𝑓 6𝜋
Bila di dalam silinder tidak ada tekanan gas, maka:
𝑀𝑏 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ= 𝐹𝑑 (𝐷𝑑− 𝐷𝑓) 2𝜋
Di mana: Pz: gaya akibat tekanan gas
Fd: gaya pengencangan baut pengikat kepala silinder Dd: diameter lingkaran jarak baut pengikat kepala silinder Df: diameter permukaan kepala silinder yang langsung terke-
na tekanan gas pembakaran (sama dengan diameter efek- tif silinder)
(Materi lanjutannya ada pada buku Marine Internal Combustion Engines, oleh: N. Petrovsky, halaman 399 – 400)
