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
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
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.
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
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.
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).
Maka persamaan diatas dapat ditulis,
Sehingga,
Dengan menurunkannya terhadap waktu, maka percepatan angular connecting rod
Percepatan angular connecting rod,
(2.3)
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
ω
1Gambar 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
(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
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
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.
(2.12)
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.
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
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
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
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
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 :
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
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
Tool Box Adams/ View
Tabel : Deskripsi Tool
Ikon Deskripsi
Tool seleksi
Pemodelan bentuk-bentuk geometri
pengukuran
Undo dan Redo
Tool sambungan
simulasi
Tool pewarna
motor penggerak
animasi
Tool Forces
Menampilkan model dalam satu window
Menampilkan model pada titik pusat model
Merotasi model
Se
Increment Entering a value lets you more precisely control the view display changes, such as zooming and rotations.
Se
Se
Grid Se
Depth Se
Render Se
