Abstrak—Crankshaft adalah bagian dari engine yang meng- konversi gerak linear piston atau reciprocating motion menjadi gerak rotasi. Crankshaft menerima beban yang berat selama beroperasi. Fungsi crankshaft sangat penting sebagai penerus gaya bolak-balik piston menjadi gaya rotasi. Fungsi crankshaft yang sangat krusial ini menjadikan analisa kekuatan crankhshaft menjadi hal yang sangat perlu dilakukan. Penelitian ini dilakukan dengan membandingkan distribusi tegangan yang terjadi akibat pembebanan dengan menggunakan metode elemen hingga, terhadap dua tingkat kecepatan crankshaft yaitu 3800 RPM (saat torsi maksimum) dan 4500 RPM (saat daya maksimum). Kemudian dilanjutkan analisa kegagalan statis berdasarkan distribusi tegangan tersebut. Hasil penelitian menunjukkan tegangan von-Misses dan tegangan geser terbesar terjadi pada tingkat kecepatan 3800 RPM dengan nilai masing-masing sebesar 173.62 MPa dan 95.27 MPa. Berdasarkan hasil analisa kegagalan statis, material crankshaft tipe G 5502 / FCD 450 (JIS Standard) dinyatakan aman terhadap tegangan von-Misses maupun tegangan geser. Berdasarkan metode Sodeberg, crankshaft juga aman terhadap beban fatigue dikarenakan nilai σm, σa, τm, dan τa berada di area bawah garis aman tegangan.
Kata Kunci—crankshaft, firing order, metode elemen hingga, analisa kegagalan statis.
I. PENDAHULUAN
RANKSHAFT menerima beban yang bervariasi ketika berotasi. Variasi beban yang diterima crankshaft didasarkan pada tekanan pembakaran yang diterima piston.
Ada dua macam beban yang bekerja pada crankshaft, yaitu beban radial dan beban tangensial. Beban radial terjadi sebagai akibat dari crankshaft yang ditumpu di masing- masing bagian ujungnya, sementara bagian tengah crankshaft dikenai gaya-gaya inertia piston dan connecting rod. Sedangkan beban tangensial dapat menimbulkan getaran yang disebut sebagai torsional vibration. Getaran tersebut merusak crankshaft. Bahkan tidak hanya akan merusak crankshaft tapi merusak komponen-komponen lain, seperti flywheel, gear, dan belt. Getaran tersebut sangat membahayakan terutama ketika frekuensi natural crankshaft sama atau match dengan frekuensi resonansi crankshaft.
Analisa kekuatan crankshaft dilakukan dengan cara numerik. Dan metode numerik yang dipakai adalah metode elemen hingga (finite element method). Metode elemen hingga adalah metode numerik yang berfungsi membagi objek analisa menjadi sejumlah bagian (finite). Bagian- bagian ini disebut element. Setiap elemen dihubungkan dengan elemen yang lain melalui node. Setiap elemen yang memiliki sejumlah node tersebut mempunyai sejumlah
persamaan matematis yang diselesaikan secara numeris.
Namun dalam penelitian ini digunakan suatu software finite element untuk mempermudah penelitian.
Penelitian mengenai kekuatan crankshaft dengan menggunakan metode elemen hingga telah banyak dilakukan oleh peneliti lain. Jaimin Brahmbhatt dan Abhishek Choubey [2] melakukan penelitian crankshaft satu silinder untuk mesin diesel 4-langkah. Dan membandingkan hasil teoritis dengan hasil simulasi metode elemen hingga serta melakukan optimasi dan analisa fatigue pada crankshaft. Momin Muhammad Zia Muhammad Idris [6]
melakukan penelitian kekuatan crankshaft satu silinder dengan mengikutsertakan efek dinamik dalam analisanya.
Kemudian melakukan modifikasi desain dengan mereduksi massa crankshaft yang dianalisa. Montazersadgh dan Fatemi [7] melakukan penelitian kekuatan crankshaft satu silinder terhadap beban dan tegangan dinamis. Montazersadgh dan Fatemi juga membandingkan hasil simulasi metode elemen hingga dengan hasil eksperimen. Sedangkan dalam penelitian ini, penulis melakukan analisa kekuatan crakshaft untuk engine dua silinder dengan menggunakan metode elemen hingga. Kemudian dilanjutkan dengan melakukan analisa kegagalan statis dan analisa fatigue terhadap crakshaft tersebut.
Engine 2-silinder yang akan diteliti memiliki siklus pembakaran yang berbeda. Pada saat silinder 1 melakukan langkah pembakaran, maka di waktu yang sama silinder 2 melakukan langkah pembuangan. Begitu pula sebaliknya.
Berdasarkan kondisi firing order tersebut crankshaft menerima kondisi pembebanan yang berbeda dari silinder 1 dan 2 di setiap sudut putarannya. Tujuan yang ingin dicapai oleh penulis adalah mengetahui nilai dan letak tegangan maksimum yang diterima crankshaft yang memiliki sistem firing order berbeda terhadap dua tingkat kecepatan yaitu 3800 rpm dan 4500 rpm dengan menggunakan metode elemen hingga. Kemudian dilanjutkan dengan melakukan analisa kegagalan statis berdasarkan nilai tegangan tersebut.
Analisa kekuatan crankhshaft dalam penelitian ini dilakukan hanya sebatas pada kondisi pembebanan statis.
Artinya adalah bahwa beban yang diterima oleh crankhsaft, yang merupakan gaya F fungsi waktu t, dimana t dianggap cukup lambat sehingga gaya-gaya inertia oleh piston dan connecting rod serta faktor-faktor dinamis yang lain dapat diabaikan. Pembebanan seperti ini sering disebut sebagai Quasy Static Loading. Ini menjadi hal yang sangat perlu diperhatikan oleh penulis karena pada kondisi aktual crankshaft menerima beban yang sifatnya fluktuatif atau
Analisa Kekuatan Crankshaft Dua Silinder Kapasitas 650CC dengan Menggunakan Metode
Elemen Hingga
Yosa Desika Wijaya dan Yohannes
Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: yunus@me.its.ac.id
C
dinamis. Kemudian data tekanan gas fungsi sudut crankshaft yang didapat penulis dianggap tekanan gas yang paling efisien untuk engine speed 3800 RPM dan 4500 RPM. Ini perlu untuk diketahui karena pada kondisi yang sebenarnya tekanan gas didalam silinder berubah-ubah untuk engine speed yang berbeda.
II. PEMODELANCRANKSHAFT A. Pemodelan Crankshaft
Pemodelan crankshaft mencakup bahasan mengenai dimensi dan mechanical properties. Gambar 1 adalah model crankshaft yang sudah dibuat dan akan dianalisa.
Berdasarkan gambar tersebut, desain crankshaft memang dibuat untuk spesifikasi engine yang mendukung dua silinder. Rujukan [10] memberikan data mechanical properties crankshaft yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Gambar. 1. Model Crankshaft Tabel 1.
Data Mechanical Properties Crankshaft.
Jenis Material Spheroidal Graphite Iron Casting Tipe Material FCD 450 / G 5502 (JIS Standard)
Tensile Strength 450 MPa
Yield Strength 280 MPa
Elongation (%) 2
Hardness 140 – 210
Matrix Structure Ferrite
B. Tekanan Gas
Gambar 2. Grafik tekanan gas silinder 1 dan silinder 2 vs sudut crankshaft
Pada sudut crankshaft yang sama, langkah kerja di masing-masing silinder tidak sama. Sebagai contoh, saat sudut crankshaft pada posisi 0o, tekanan gas di silinder 1
hampir nol sedangkan pada silinder 2 tekanan gas maksimum. Ini karena pada posisi sudut tersebut silinder 1 melakukan langkah hisap dan disaat yang sama silinder 2 melakukan langkah kompresi yang kemudian terjadi proses pembakaran sehingga tekanan gas maksimum.
Urutan siklus dalam sistem internal combustion engine adalah 0o-180o adalah langkah hisap, 180o-360o adalah langkah kompresi, 360o-540o adalah langkah ekspansi, 540o- 720o adalah langkah buang. Jadi crankshaft membutuhkan dua kali rotasi untuk menyelesaikan satu siklus.
C. Beban yang diterima Crankshaft
Gambar 3. Hubungan geometri connecting rod dengan crankshaft [1].
Gambar 3 m enjelaskan hubungan geometri dngan connecting rod. Rujukan [1] menjelaskan connecting rod ratio (λ) dapat ditulis seperti yang ditunjukkan oleh persamaan (1). Persamaan (1) menjelaskan bahwa λ adalah rasio antara radius crankshaft (r) dan panjang connecting rod(l).
l
=r
λ (1)
Gambar 4. Vektor gaya FK [1].
Rujukan [1] menjelaskan bahwa sudut yang dibentuk antara connecting rod dengan sumbu vertikal crankshaft dapat ditulis sesuai persamaan (2).
ϕ λ
ϕ ψ λ
2 2 sin 1
sin
⋅
−
= ⋅ (2) dimana φ adalah sudut crankshaft.
Persamaan gaya gas dan luas permukaan piston dimana gaya tersebut bekerja dapat ditulis sebagai berikut.
Persamaan (3) dan (4) adalah sesuai dengan yang dijelaskan pada [1].
2
4d
Ak =π (3)
( )
kgas P A
F = ϕ × (4) dimana P(φ) adalah tekanan gas pada sudut crankshaft (φ) dan d adalah diameter permukaan kepala piston.
conrod piston
gas
k F F F
F = + + (5)
( ϕ λ ϕ)
ω2⋅ cos + ⋅cos2
⋅
⋅
−
= m r
Fpiston piston (6)
( ϕ λ ϕ)
ω2⋅ cos + ⋅cos2
⋅
⋅
−
= m r
Fconrod conrod (7)
Gambar 4 menunjukkan arah kerja gaya Fk. yang bekerja pada pin piston. Rujukan [1] menjelaskan bahwa gaya Fkdipengaruhi oleh gaya inertia piston (Fpiston) dan gaya inertia connecting rod (Fconrod) yang ketiga persamaannya sesuai dengan persamaan (5), (6), dan (7).
Gambar 5. Vektor gaya tangensial dan radial [1].
( ) ( )
ψ ψ ψ ϕ
ϕ cos
sin + = ⋅sin +
⋅
= ST k
T F F
F (8)
( ) ( )
ψ ψ ψ ϕ
ϕ cos
cos + = ⋅cos +
⋅
= ST k
R F F
F (9)
Gambar 6. Gaya tangensial dan radial untuk engine speed 3800 RPM.
Gambar 5. menjelaskan arah gaya tangensial (FT) dan gaya radial (FR) pada crankshaft dari terusan gaya FST yang
ditunjukkan oleh gambar 4. Rumus FT dan FR pada persamaan (8) dan (9) didapat dari penjelasan oleh [1].
Secara keseluruhan gaya FT dan FR dapat di-plot pada sebuah grafik gaya F fungsi sudut crankshaft (φ) seperti yang dapat dilihat pada Gambar 6. Dan nilai-nilai gaya tersebut akan digunakan sebagai data input dalam simulasi finite element.
D. Meshing
Meshing yang digunakan dalam penelitian ini adalah meshing dominant tetrahedral. Bentuk meshing tetrahedral adalah segitiga. Keuntungan menggunakan meshing tetrahedral adalah akurasi kontrol meshing sangat bagus untuk suatu kontur benda 3D yang sangat rumit. Untuk metode meshing yang telah dilakukan terhadap crankshaft, didapat jumlah elemen sebanyak 102328 dan node sebanyak 173281. Gambar 7 menunjukkan model crankshaft dalam bentuk elemen hingga.
Gambar 7. Teknik meshing dalam solusi numerik metode elemen hingga.
E. Pembebanan dalam Simulasi Finite Element
Gambar 8. Bearing Load yang diterapkan pada crankshaft : (a) pandangan isometrik, (b) pandangan depan.
Jenis support (tumpuan) dan jenis beban yang diterapkan pada crankshaft dalam simulasi finite element pada penelitian ini adalah cylindrical support dan bearing load.
Rujukan [5] menjelaskan bahwa cylindrical support dan bearing load digunakan untuk area dengan permukaan yang silindris.Gambar 8 menunjukkan Bearing load 1 adalah beban yang diterima crankshaft dari silinder 1. Bearing load 2 adalah beban yang diterima crankshaft dari silinder 2.
F. Pengambilan Data
Gambar 9 menunjukkan letak titik-titik tegangan pada crankshaft yang akan diamati oleh penulis. Setiap kali simulasi berakhir, keenam titik tersebut akan dicatat nilai tegangannya untuk kemudian di-plot pada grafik tegangan
(σ) fungsi sudut crankshaft (φ).Cara pengambilan data tegangan crankshaft sangat sederhana yaitu dengan melakukan zooming pada titik yang ingin diamati. Zoom dilakukan berkali-kali hingga titik meshing yang ingin diketahui nilai tegangannya sudah jelas terlihat.Setelah itu digunakanlah fitur Probe. Probe berguna untuk mengetahui nilai atau hasil suatu simulasi pada sebuah titik yang terdapat pada sebuah bodi, permukaan, vertex, atau edge.
Gambar 9. Letak titik-titik pengamatan pada crankshaft.
III. HASILDANDISKUSI A. Komparasi Tegangan von-Misses
Gambar 10. Grafik distribusi tegangan Von-Misses untuk setiap titik pengamatan pada tingkat kecepatan 3800 RPM
Gambar 11. Komparasi nilai tegangan von-Misses di tiap titik pengamatan saat crankshaft pada siklus pembakaran.
Ketika sudut crankshaft untuk silinder 1 berada pada posisi 360o maka sudut crankshaft untuk silinder 2 a dalah 720o. Kondisi tersebut mengartikan bahwa ketika silinder 1 melakukan langkah kerja pembakaran maka silinder 2 melakukan langkah buang. Gambar 10 adalah distribusi tegangan von-Misses di setiap titik pengamatan saat engine speed 3800 RPM. Sedangkan Gambar 11 adalah perbandingan nilai tegangan di tiap titik pengamatan saat siklus pembakaran terjadi.
Langkah pembakaran membuat crankshaft mengalami tegangan von-Misses paling besar untuk setiap tingkat kecepatan. Sehingga tegangan-tegangan yang terakumulasi disetiap titik pengamatan pada siklus pembakaran ini perlu diberikan perhatian lebih. Gambar 11 adalah grafik tegangan yang terjadi di setiap titik pada siklus pembakaran. Pada grafik tersebut tegangan Von-Misses pada tingkat kecepatan 3800 RPM adalah paling tinggi dibandingkan dengan tegangan pada tingkat kecepatan yang lain di semua titik pengamatan. Titik pengamatan 2 memiliki nilai tegangan terbesar di semua tingkat kecepatan dibandingkan dengan titik pengamatan yang lain.
B. Analisa Kegagalan Statis
Berdasarkan analisa kegagalan DET (Distortion Energy Maximum), crankshaft dikatakan aman apabila mengikuti persamaan (10).
SF Sy
vm≤
σ
(10) Sedangkan berdasarkan analisa kegagalan MSST (Maximum Shear Stress Theory), crankshaft dikatakan aman apabila mengikuti persamaan (11).
SF Sys
max ≤
τ
(11) Persamaan (10) dan (11) didapat dari perjelasan oleh [2].
Dan dari hasil simulasi yang telah dilakukan, semua nilai σvmdan τmaxuntuk berbagai posisi sudut crankshaft sudah diketahui. Nilai-nilai tegangan tersebut disubstitusi ke persamaan (10) dan (11), sehingga didapat nilai SF (safety factor) yang paling maksimum. SF oleh [3] dinotasikan dengan N seperti yang terlihat pada Gambar 12. Dari hasil perhitungan didapat nilai SF kurang dari atau sama dengan 2.71.
Analisa fatigue yang dilakukan adalah berdasarkan metode Sodeberg. Analisa fatigue terbagi menjadi dua yaitu fatigue oleh tegangan von-Misses dan fatigue karena tegangan geser. Dua parameter penting dalam analisa fatigue adalah tegangan rata-rata (σm)dan tegangan amplitudo atau rangestress (σa) [3].
Dimana berdasarkan penjelasan oleh [3], persamaan nilai tegangan rata-rata dan amplitudo berturut-turut dapat ditulis sebagai berikut.
2 min
max σ
σm=σ +
(12)
2 min
max σ
σa =σ −
(13)
2 min
max τ
τm=τ +
(14) 2 min
max τ
τa =τ −
(15)
Dari hasil simulasi finite element yang telah dilakukan didapatkan nilai tegangan maksimum (σmax, τmax) dan nilai tegangan minimum (σmin, τmin). Nilai tersebut disubstitusikan ke persamaan (12), (13), (14), dan (15) untuk menghitung tegangan rata-rata dan tegangan amplitudo.
Kemudian nilai tegangan rata-rata dan tegangan amplitudo tersebut di-plot pada grafik Sodeberg seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12. Rujukan [3] menjelaskan gambar 12 dimana material benda kerja dikatakan aman apabila resultan tegangan yang dibentuk oleh komponen tegangan σm dan σa masih berada didalam area safe stress line.
Gambar 13. Hasil Plot Data Grafik Sodeberg untuk tegangan von- Misses.
Gambar 14. Hasil Plot Data Grafik Sodeberg untuk tegangan geser.
Gambar 13 dan 14 adalah hasil dari plot data σm, σa, τm, dan τa ke grafik Sodeberg yang ditunjukkan oleh Gambar 12. Kedua gambar tersebut berskala 1:1 (1 mm = 1 MPa).
C. Contoh Salah Satu Hasil Simulasi
Gambar 15. Distribusi tegangan von-Misses saat sudut crankshaft
silinder 1 0o dan sudut crankshaft silinder 2 360o (ω = 3800 RPM).
IV. KESIMPULAN
Dengan melakukan analisa kekuatan crankshaft dengan menggunakan metode elemen hingga didapatkan kesimpulan sebagai berikut.
1. Tegangan von-Misses maksimum yang diterima crankshaft adalah sebesar 173.62 MPa dan terjadi saat torsi maksimum atau pada tingkat kecepatan 3800 RPM.
2. Tegangan geser maksimum yang diterima crankshaft adalah sebesar 95.27 MPa dan terjadi saat torsi maksimum atau pada tingkat kecepatan 3800 RPM.
3. Titik pengamatan 2 m enerima tegangan von-Misses maupun tegangan geser paling besar jika dibandingkan dengan lima titik pengamatan yang lain.
4. Dengan Sy = 280 MPa dan Sys = 210 MPa, crankshaft dinyatakan aman terhadap beban tegangan von-Misses maupun beban tegangan geser.
5. Crankshaft aman terhadap beban fatigue oleh tegangan von-Misses dengan nilai σm dan σa adalah 88.81 MPa dan 84.81 MPa yang masih berada dalam safe stress line area.
6. Crankshaft aman terhadap beban fatigue oleh tegangan geser dengan nilai τm dan τa adalah 49.14 MPa dan 46.14 MPa yang masih berada dalam safe stress line area.
DAFTARPUSTAKA
[1] Basshuysen, v.R., dan Schafer, F. 2004. Internal Combustion Engine Handbook. Basic, Components, Sistems, and Perspectives. United State of America : SAE International
[2] Brahmbhatt Jaimin, Choubey Abhishek., 2012. Design and Analysis of Crankshaft for Single Cylinder 4-Stroke Diesel Engine.
International Journal of Advanced Engineering Research and Studies.
E-ISSN2249–8974
[3] Deutschman D.A., Michels J.W., dan Wilson E.C. 1975. Machine Design Theory and Practice. New York : Macmillan Publishing Co., Inc.
[4] Hibbeler, R.C. 2013. Mechanics of Materials 9th Edition. Prentice Hall International, Inc., ISBN: 9789810694364, 879pp.
[5] Huang-Lee, Huei. 2010. Finite Element Simulation with Ansys Workbench 12. Schroff Development Co. ISBN 978-1-58503-604-2 [6] Idris Muhammad Zia Muhammad Momin. 2013. Crankshaft Strength
Analysis Using Finite Element Method. International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). ISSN: 2248-9622 [7] Montazersadgh Farzin. H. dan Fatemi Ali. 2007. Dynamic Load and
Stress Analysis of a Crankshaft. SAE International : 2007-01-0258 [8] Shigley, J.E., Mischke, C.R. 1989. Mechanical Engineering Design,
5th edition. McGraw Hill. ISBN 0-07-056899-5
[9] Stolarski, T.A., Nakasone, Y., dan Yoshimoto, S. 2006. Engineering Analysis with Ansys Software. Cornwall : MPG Books Ltd.
[10] Vinogradov, Oleg. 2000. Fundamentals of Kinematics and Dynamic of Machines and Mechanisms. Florida : CRC Press.
[11] Zienkiewwicz O.C. dan Taylor R.L. 2000. The Finite Element Method Fifth Edition. Volume 1: The Basis. Butterworth-Heinemann., ISBN:
0 7506 5049 4.
[12] Thai Thavorn Casting Lathe Co. Ltd., July. 2014. Knowledge of Casting - Compare Standard, <URL:
http://www.thaithavorn.com/knowledge.php?pid=13&lid=en>
