ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS TERHADAP DISPLACEMENT PADA POROS ENGKOL (CRANKSHAFT) MENGGUNAKAN SIMULASI ELEMEN HINGGA

Transkripsi

1 ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS TERHADAP DISPLACEMENT PADA POROS ENGKOL (CRANKSHAFT) MENGGUNAKAN SIMULASI ELEMEN HINGGA SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik MUHAMMAD NAVARO NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2009 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

2 i ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS TERHADAP DISPLACEMENT PADA POROS ENGKOL (CRANKSHAFT) MENGGUNAKAN SIMULASI ELEMEN HINGGA Oleh : MUHAMMAD NAVARO NIM Diketahui/Disyahkan : Disetujui Oleh : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing Fakultas Teknik USU Ketua, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tugiman, MT NIP NIP Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

3 ii ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS TERHADAP DISPLACEMENT PADA POROS ENGKOL (CRANKSHAFT) MENGGUNAKAN SIMULASI ELEMEN HINGGA Oleh : MUHAMMAD NAVARO NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke-543 tanggal 11 Juli 2009 Disetujui oleh : Dosen Pembanding I, Dosen Pembanding II, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc NIP NIP Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

4 iii ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS TERHADAP DISPLACEMENT PADA POROS ENGKOL (CRANKSHAFT) MENGGUNAKAN SIMULASI ELEMEN HINGGA MUHAMMAD NAVARO NIM Telah Disetujui Oleh : Pembimbing/Penguji Ir.Tugiman, MT NIP Penguji I, Penguji II, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc NIP NIP Diketahui oleh : Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Ketua, Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

5 Dr-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 853/TS/2009 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : / /2009 MEDAN PARAF : iv TUGAS SKRIPSI NAMA : NIM : MATA PELAJARAN : SPESIFIKASI : MUHAMMAD NAVARO GETARAN MEKANIS Lakukanlah simulasi untuk mengamati pengaruh displacement pada crankshaft akibat pengaruh nilai kekakuan pegas. Variasikan nilai kekakuan pegas dan posisikan pada ujung crankshaft. Pembahasan meliputi: 1. Gaya-gaya pada bantalan dan pena 2. Pengaruh variasi kekakuan pegas terhadap displacement crankshaft DIBERIKAN TANGGAL : 21/ Januari/ 2009 SELESAI TANGGAL : 01/ Juli/ 2009 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 21 Januari 2009 DOSEN PEMBIMBING, DR-ING.IR.IKHWANSYAH ISRANURI IR.TUGIMAN, MT NIP NIP Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

6 v Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

7 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, vi

8 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, vi

9 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, vii

10 viii ABSTRAK Penelitian dalam bidang getaran pada mekanisme engkol peluncur untuk mengidentifikasi karakteristik sinyal getaran perlu dilakukan pada berbagai sumber eksitasi. Sumber eksitasi getaran tersebut salah satunya adalah akibat displacement yang besar yang terjadi antar komponen yang bekerja. Peristiwa terjadinya displacement yang sangat besar tidak diharapkan karena akan menyebabkan kebisingan, keausan, dan terlepasnya sambungan-sambungan akibat getaran. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besar nilai displacement yang terjadi pada crankshaft pada mekanisme engkol peluncur sepeda motor menggunakan simulasi metode elemen hingga. Penelitian ini menggunakan software SolidWorks 2007 untuk pemodelan dan simulasi dengan metode elemen hingga menggunakan software MSc. VisualNastran4D Pengujian yang dilakukan meliputi pemasangan pegas pada ujung crankshaft yang berjumlah 4 buah masing-masing pada sudut 0 0, 90 0, dan Simulasi dilakukan berulang hingga sudut putaran crankshaft sebesar dengan nilai kekakuan pegas berbeda-beda. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa displacement maksimum yang terkecil terjadi pada simulasi menggunakan pegas dengan nilai kekakuan sebesar 1x10E8 N/m yaitu sebesar -1.11E-04 m pada sumbu y dengan sudut Hal ini menunjukkan bahwa nilai kekakuan pegas berpengaruh terhadap displacement pada crankshaft. Kata kunci : Displacement, Pegas, kekakuan, MSc. VisualNastran4D 2004 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

11 ix KATA PENGANTAR Puji syukur hanya bagi Allah SWT. karena atas karunia dan ridho-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada Rasulullah Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat dan orang-orang yang mengikutinya hingga akhir zaman. Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga. Penyelesaian skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan serta ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ayahanda dan Ibunda tercinta terima kasih ananda haturkan atas segala cinta dan kasih mereka yang telah memberikan dukungan moril dan materil serta do anya demi kesuksesan ananda, juga ucapan terima kasih kepada seluruh keluarga penulis; kedua orang adik Opi dan Ahal, dan yang terakhir kepada adinda yang menjadi motivator dan penyemangat bagi penulis. 2. Bapak Ir.Tugiman,MT selaku Dosen Pembimbing Skripsi yang telah banyak memberikan arahan, diskusi, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini. Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

12 3. Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin, x ST.MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin 4. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin. 5. Seluruh Asisten Laboratorium pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, khususnya rekan-rekan seperjuangan di Laboratorium Menggambar Teknik 6. Teman-teman mahasiswa Mesin USU khusus untuk stambuk 2004, Akhir kata semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain. Medan, Juli 2009 Muhammad Navaro NIM Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

13 xi DAFTAR ISI Hal LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING i LEMBAR PERSETUJUAN PEMBANDING ii LEMBAR PERSETUJUAN PENGUJI iii SPESIFIKASI TUGAS iv KARTU BIMBINGAN v LEMBAR EVALUASI SEMINAR SKRIPSI vi ABSENSI PEMBANDING BEBAS MAHASISWA vii ABSTRAK viii KATA PENGANTAR ix DAFTAR ISI xi DAFTAR GAMBAR xiii DAFTAR TABEL xvi DAFTAR NOTASI xvii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Metodologi Batasan Masalah Sistematika Penulisan 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pendahuluan Mekanisme Engkol Peluncur Persamaan Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Analisa Gaya-Gaya Pada Motor Bakar Satu Silinder Dengan Metode Massa Terkonsentrasi Getaran Mekanis Gerak Harmonis Getaran Bebas 22 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

14 3.1 Pendahuluan Studi Kasus Spesifikasi Motor Bakar Satu Silinder Dimensi Motor Bakar Satu Silinder Geometri Komponen Motor Bakar Satu Silinder Vibratory System Analisa Pembebanan Diagram Alir Simulasi Prosedur Simulasi Permodelan Mekanisme Motor Bakar Satu Silinder Simulasi Motor Bakar Dengan MSC.Nastran 35 BAB IV HASIL SIMULASI DAN DISKUSI Pendahuluan Analisa Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Piston Analisa Konsentrasi Gaya-gaya di Bantalan dan Pena Analisa Displacement Menggunakan pegas dengan k = 1x10E7 N/m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E8 N/m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E9 N/m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E10 N/m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E11 N/m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E12 N/m Hasil Perbandingan Displacement Maksimum Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Manual 89 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 91 DAFTAR PUSTAKA 92 LAMPIRAN xii Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

15 DAFTAR GAMBAR xiii Gambar 1.1 Engkol Peluncur 1 Gambar 1.2 Kerangka Konsep 3 Gambar 2.1 Model osilasi akibat gaya kocok 7 Gambar 2.2 Geometri mekanisme engko l peluncur 9 Gambar 2.3 Tekanan Efektif Rata-Rata Pada Siklus Otto 10 Gambar 2.4 Gaya-gaya yang bekerja pada mekanisme motor bakar 14 Gambar 2.5 Gaya-gaya yang bekerja pada piston. 16 Gambar 2.6 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi di titik B. 17 Gambar 2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi di titik A. 18 Gambar 2.8 Gaya-gaya yang bekerja pada poros engkol. 18 Gambar 2.9 Gerak Osilasi Pegas. 20 Gambar 2.10 Gerak Harmonis sebagai Proyeksi Titik Bergerak pada Lingkaran. 21 Gambar 2.11 Hubungan Fasa Vektor antara Simpangan, kecepatan, dan Percepatan 21 Gambar 2.12 Sistem Massa Pegas dan Diagram Benda Bebas 23 Gambar 3.1. Posisi Pegas Pada Crankshaft 27 Gambar 3.2 Diagram Alir Permodelan Dengan Software SolidWorks Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi Dengan MSc.visualNastran 4D Gambar 3.4 Tampilan Layar Pembuka Software SolidWorks Gambar 3.5 Hasil Permodelan Komponen dengan Software SolidWorks Hal Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

16 Gambar 3.6 Hasil Asembling dengan Software SolidWorks xiv Gambar 3.7 Tampilan Pembuka MSc.visualNastran 4D Gambar 3.8 Proses Import Mekanisme 36 Gambar 3.9 Pemodelan Pegas 36 Gambar 3.10 Proses Type of Joint, 37 Gambar 3.11 Memasukkan Material Properties 38 Gambar 3.12 Kotak Dialog Tipe Analisis 39 Gambar 3.13 Memasukkan Nilai Pembebanan (Load) 39 Gambar 3.14 Simulasi Mekanisme Motor Bakar Dengan Menggunakan Software MSc.visualNastran 4D Gambar 4.1 Grafik Posisi Piston vs Sudut Engkol 45 Gambar 4.2 Grafik Kecepatan Piston vs Sudut Engkol 46 Gambar 4.3 Grafik Percepatan Piston vs Sudut Engkol 46 Gambar 4.4 Grafik Torsi Crankshaft vs Sudut Engkol 49 Gambar 4.5 Grafik Gaya-gaya yang beraksi Pada Pena vs Sudut Engkol 50 Gambar 4.6 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 54 Gambar 4.7 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 55 Gambar 4.8 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 55 Gambar 4.9 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 56 Gambar 4.10 Displacement Crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 56 Gambar 4.11 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 59 Gambar 4.12 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 60 Gambar 4.13 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 60 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

17 Gambar 4.14 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 61 Gambar 4.15 Displacement Crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 61 xv Gambar 4.16 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 64 Gambar 4.17 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 65 Gambar 4.18 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 65 Gambar 4.19 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 66 Gambar 4.20 Displacement Crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 66 Gambar 4.21 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 69 Gambar 4.22 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 70 Gambar 4.23 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 70 Gambar 4.24 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 71 Gambar 4.25 Displacement Crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 71 Gambar 4.26 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 74 Gambar 4.27 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 75 Gambar 4.28 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 75 Gambar 4.29 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 76 Gambar 4.30 Displacement Crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 76 Gambar 4.31 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m 79 Gambar 4.32 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m 80 Gambar 4.33 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m 80 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

18 Gambar 4.34 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m Gambar 4.35 Displacement Crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m xvi Gambar 4.36 Displacement pada crankshaft vs Sudut Engkol ( ) dengan pegas k=1x10e7 N/m 87 Gambar 4.37 Displacement pada crankshaft vs Sudut Engkol ( ) dengan pegas k=1x10e8 N/m 87 Gambar 4.38 Displacement pada crankshaft vs Sudut Engkol ( ) dengan pegas k=1x10e9 N/m 87 Gambar 4.39 Displacement pada crankshaft vs Sudut Engkol ( ) dengan pegas k=1x10e10 N/m 88 Gambar 4.40 Displacement pada crankshaft vs Sudut Engkol ( ) dengan pegas k=1x10e11 N/m 88 Gambar 4.41 Displacement pada crankshaft vs Sudut Engkol ( ) dengan pegas k=1x10e12 N/m 88 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

19 DAFTAR TABEL xvii Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Honda Tiger Tabel 3.2 Dimensi Elemen Motor Bakar Honda Tiger Tabel 3.3 Fungsi fitur pengukuran pada MSc.visualNastran 4D Tabel 4.1 Posisi, kecepatan dan percepatan piston 43 Tabel 4.2 Gaya-gaya pada bantalan dan pena akibat beban dinamis 47 HAL Tabel 4.3 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e7 N/m 52 Tabel. 4.4 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e8 N/m 57 Tabel. 4.5 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e9 N/m 62 Tabel. 4.6 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e10 N/m 67 Tabel. 4.7 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e11 N/m 72 Tabel. 4.8 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e12 N/m 77 Tabel. 4.9 Displacement maksimum yang terjadi pada crankshaft dengan kekakuan pegas berbeda 84 Tabel 4.10 Verifikasi hasil simulasi dan perhitungan manual pada sudut engkol Tabel 5.1 Besar gaya-gaya pada bantalan & pena akibat beban dinamis 90 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

20 xviii DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan a = Percepatan linear m/s 2 A = Amplitudo m A A = Percepatan pada titik A m/s 2 A B = Percepatan pada titik B m/s 2 A g3 = Percepatan pada titik pusat massa connecting rod m/s 2 Ap = Luas Permukaan Piston m 2 c = Redaman pegas Ndet/m D = diameter piston m f = Frekuensi Hz F o = Gaya rangsangan N F = Gaya tekan piston N F 12 = Gaya titik 1 terhadap batang 2 N F 23 = Gaya batang 2 terhadap batang 3 N F 14 = Gaya titik 1 terhadap batang 4 N F 43 = Gaya batang 4 terhadap batang 3 N F A3 = Gaya inersia massa connecting rod terkonsentrasi p pena engkol N = Gaya inersia massa connecting rod terkonsentrasi p pena piston N F B3 F CR = Gaya inersia massa connecting rod N F CW = Gaya massa bobot imbang N g = Percepatan grafitasi m/s 2 i = Jumlah silinder - L = Panjang connecting rod m k = Kekakuan pegas N/m m = Massa kg M 4 = Massa piston kg Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

21 M A3 = Massa connecting rod terkonsentrasi di pena engkol kg M B3 = Massa connecting rod terkonsentrasi di pena piston kg n = Putaran crankshaft rpm Ne = Daya Efektif Hp O 2 = Pusat poros engkol - P = Tekanan Gas Pa P rata-rata = Tekanan Efektif rata-rata kg/cm 2 R = Jari-jari crankshaft m TMA = Titik Mati Atas - TMB = Titik Mati Bawah - t = Waktu det T s = Torsi pada poros engkol N.m v = Kecepatan linear piston m/s V d = Volume Silinder m 3 ω n = Frekuensi natural rad/det x = Perpindahan Piston m x = Turunan pertama perpindahan - x = Turunan kedua perpindahan - φ = Sudut antara connecting rod dan garis kerja piston deg θ 2 = Sudut poros engkol deg θ 3 = Sudut connecting rod deg τ = Perioda det ζ = Faktor redaman - xix Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

22 DAFTAR LAMPIRAN 1. Lampiran-1 Spesifikasi Honda Tiger Lampiran 2 Data Pengukuran Elemen Motor Bakar 3. Lampiran 3 Geometri Bentuk Pegas Pada Crankshaft 4. Lampiran 4 Validasi Perhitungan Manual 5. Lampiran 5 Grafik Gabungan Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

23 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Motor Bakar adalah salah satu mesin dengan pembakaran dalam. Daya yang dibangkitkan pada motor bakar berasal dari pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Gas pembakaran yang dihasilkan oleh proses tersebut mampu menggerakkan piston yang kemudian diteruskan melalui connecting rod menuju crankshaft. Gerak translasi piston akan menyebabkan gerak rotasi pada crankshaft. Gambar 1.1 Engkol Peluncur Sebuah kendaraan bermotor pada kondisi kecepatan tinggi tentunya harus memenuhi persyaratan yang ketat agar layak digunakan, salah satunya adalah Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

24 bahwa kendaraan harus stabil pada putaran tinggi, artinya getaran yang ditimbulkan oleh putaran mesin harus dalam batas yang ditentukan. Suatu mekanisme yang tidak seimbang atau tidak stabil akan mengakibatkan kebisingan, getaran, tegangan-tegangan akibat getaran, keausan, dan terlepasnya sambungansambungan akibat getaran dan keausan. Dalam mendesain kekuatan komponen-komponen motor bakar, adalah penting untuk menghitung besar gaya-gaya dan momen yang bekerja pada setiap komponen. Motor bakar sebagai salah satu contoh dari mekanisme engkol peluncur, mempunyai komponen-komponen kritis seperti bantalan (Bearing) dan pena (Pin). Hal ini disebabkan terkonsentrasinya gaya-gaya pada elemen ini. Dalam mekanisme yang beroperasi pada putaran tinggi, besar gaya-gaya yang timbul akibat adanya percepatan massa komponen akan lebih besar dibandingkan gaya-gaya statis yang bekerja pada komponen mesin itu sendiri. Komponen torak yang bergerak bolak-balik (Reciprocating), akan menimbulkan arah gaya yang bolak-balik sesuai pergerakannya, sehingga mengakibatkan terjadinya getaran yang ditimbulkan oleh gaya di bantalan poros engkol pada mekanisme engkol peluncur. Pada kecepatan-kecepatan tertentu dimana getaran menjadi sangat besar, dapat terjadi kegagalan pada poros atau bantalan-bantalan. Getaran semacam ini menimbulkan displacement pada ujung poros engkol (main bearing) sehingga dapat menyebabkan apa yang disebut olakan poros, atau mungkin menyebabkan suatu osilasi puntir pada poros, atau kombinasi pada keduanya. Dengan bantuan komputer, metode elemen hingga mampu menentukan besaran displacement yang terjadi pada ujung poros engkol yang umumnya sulit Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

25 dipecahkan melalui analisis matematis. Hal ini disebabkan karena analisis matematis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji. Metode elemen hingga menggunakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik diskrit. Dimulai dengan permodelan suatu objek, kemudian membaginya dalam bagian yang kecil. Namun secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum pembagian. 1.2 Perumusan Masalah Kerangka Konsep Permasalahan : Gaya dan Displacement pada main bearing Menyebabkan: Getaran pada crankshaft Dampak : - Keandalan mesin menjadi buruk - Biaya menjadi mahal akibat kegagalan produk Metode: Melakukan simulasi komputer yang mampu menganalisa getaran mekanisme Simulasi Komputer Membuat permodelan engkol peluncur (torak, connecting rod, dan crankshaft) Melakukan simulasi engkol paluncur dengan bantalan pegas pada ujung crankshaft. Hasil Skripsi: Besaran displacement pada ujung crankshaft Nilai kekakuan pegas yang paling efekif Gambar 1.2 Kerangka Konsep Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

26 Dalam mekanisme motor bakar, connecting rod berperan merubah gerak translasi piston menjadi gerak rotasi dan mentransmisikan tenaga ke poros engkol. Komponen torak yang bergerak bolak-balik (Reciprocating), akan menimbulkan arah gaya yang bolak-balik sesuai pergerakannya, sehingga mengakibatkan terjadinya getaran pada bantalan. Untuk mengurangi getaran pada main bearing 3 (F 12 ) digunakan bantalan pegas yang dipasang pada ujung crankshaft. Dimana prinsip kerjanya untuk meredam perpindahan crankshaft dari pusat poros ketika berotasi. Dengan menggunakan software MSc.visualNastran 4D 2004 dilakukan simulasi mekanisme engkol peluncur dan pada simulasi tersebut akan dipasangkan bantalan pegas pada ujung crankshaft dengan variasi pada nilai kekakuan pegas. Hal ini bertujuan untuk memperoleh nilai displacement yang paling kecil. 1.3 Tujuan Penelitian Pada tugas skripsi ini ada 3 tujuan utama akan diteliti: 1. Membuat suatu permodelan dan simulasi komputer dari mekanisme kerja engkol peluncur yang diaplikasikan pada motor bakar satu silinder. 2. Menghitung besaran displacement pada ujung crankshaft menggunakan software visualnastran 4D 2004 dengan memvariasikan nilai kekakuan pegas pada ujung crankshaft. 3. Mengetahui pengaruh kekakuan pegas terhadap displacement crankshaft yang terjadi pada mekanisme engkol peluncur. 1.4 Metodologi Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

27 Metode untuk menghitung besaran displacement pada ujung crankshaft adalah dengan metode analitis yang diprogramkan dengan teknik visualisasi yang kompatibel dengan komputer yang berbasiskan Windows. Metode analitis digunakan untuk mendapatkan hasil perhitungan yang lebih teliti. Dan perhitungan berulang untuk analisa satu siklus putaran motor bakar hanya memerlukan waktu singkat dengan bantuan komputer, sehingga kita 4 4 akan lebih terfokus pada analisa akibat perubahan nilai variabel input terhadap output. Dan hasil perhitungan dapat dengan mudah ditampilkan dalam bentuk angka-angka yang tertabulasi, dan grafik-grafik yang mudah untuk dianalisa. Hal ini berarti akan sangat mudah melakukan analisa perhitungan teknik yang rumit dengan bantuan komputer. Proses perhitungan menggunakan perangkat lunak (Software) MSc. visualnastran 4D Software ini mampu membuat simulasi engkol peluncur dan menghitung besaran displacement yang terjadi pada ujung crankshaft. 1.5 Batasan Masalah Dalam skripsi ini dilakukan simulasi terhadap sistem motor bakar satu silinder tipe empat langkah menggunakan pegas tanpa redaman (undamped vibration) sebagai bantalan. Daya maksimum 16,7 PS pada putaran maksimum 8500 rpm. Menggunakan tekanan efektif rata-rata sebagai beban (load) untuk mendesak piston. Hal ini bertujuan agar dalam proses simulasi digunakan suatu harga tekanan yang konstan dan mudah dianalisa. Jenis, panjang, jumlah dan posisi pegas yang digunakan pada simulasi diasumsikan sama. Untuk mempermudah analisa. Gesekan pada bantalan, gesekan pada pena engkol, gesekan pada pena torak, dan gesekan torak terhadap dinding silinder diabaikan. Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

28 1.6 Sistematika Penulisan Tugas skripsi ini terbagi kedalam tiga bagian yaitu membuat gambar 5 permodelan dengan Software SolidWorks 2007 kemudian disimulasikan dengan MSc.visualNastran 4D 2004 dan yang terakhir menganalisa hasil simulasi. Kemudian hasil akan disajikan kedalam tulisan yang terdiri dari 5 bab. Bab I adalah Pendahuluan. Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai Tugas skripsi yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. Bab II adalah Tinjauan pustaka, berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan. Bab III adalah Metodologi penelitian yang berisikan spesifikasi sistem motor bakar piston satu silinder, langkah permodelan dari sistem kerja engkol peluncur dengan bantalan pegas pada ujung crankshaft menggunakan software Solid Works serta pembuatan simulasi menggunakan MSc.visualNastran 4D BAB IV adalah Hasil simulasi dan diskusi. Pada bab ini berisikan hasil simulasi dan juga hasil diskusi. Pada bagian akhir bab, berisikan verifikasi hasil simulasi dengan perhitungan manual. BAB V adalah Kesimpulan dan saran yang berisikan kesimpulan akhir yang didapat dari Skripsi ini Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

29 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pendahuluan Bab ini memberikan gambaran umum tentang latar belakang pengertian pada pembangkitan gaya dan getaran pada mekanisme sebuah mesin bolak-balik (Reciprocating Engine). Sebagian besar topik ini dikutip dari Mabie Reinholtz [1] dan William T Thomson [3]. Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

30 Gambar 2.1 Diagram benda bebas dari sebuah mekanisme engkol peluncur (dari Mabie dan Reinholtz[1]) 7 Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

31 Gambar 2.1 menunjukkan diagram benda bebas dari sebuah mekanisme engkol peluncur. F O4 adalah vektor gaya inersia yang bekerja pada pusat torak (batang 4), yang besarnya adalah F O4 = M 4 A g4. F B3 adalah vektor gaya inersia yang bekerja pada titik massa bergerak batang hubung, M B3, yang letaknya pada pena torak (wrist pin) B dan sepusat dengan pusat torak. Besar dari F B3 adalah F B3 = M B3.A B. Ini menunjukkan bahwa karena pusat torak sepusat dengan pena torak B, A g4 = A B. F 41 adalah gaya reaksi torak terhadap dinding silinder. F 12 adalah gaya dari poros engkol yang bekerja pada bantalan poros engkol (Main Bearing) yang terletak pada blok mesin (Engine Block). Gaya yang terjadi pada poros engkol (F 12 ) dapat menyebabkan terjadinya displacement pada ujung poros engkol. Hal ini akan mempengaruhi tingkat kestabilan mesin serta tingkat kegagalan pada bantalan. Untuk memperkecil nilai F 12 maka digunakan counterweight yang berupa beban (M cw ) dan menimbulkan gaya F cw, dimana gaya ini dapat menyeimbangkan poros engkol sehingga titik berat poros engkol berada tepat dipusat bantalan dan nilai F 12 menjadi kecil hingga mendekati nol Torsi poros T s, dengan besar T s = F 41.h, menimbulkan kopel yang bekerja pada blok mesin, dan torka poros mengalami perubahan arah dan besar selama fase siklus mesin, hal ini menyebabkan blok mesin berosilasi secara rotasi. Jadi torka poros Ts dapat disebut sebagai kopel kocok sumbu-z untuk contoh motor bakar satu silinder. 8

32 2.2 Mekanisme Engkol Peluncur Motor bakar satu silinder menggunakan mekanisme engkol peluncur dalam pengoperasiannya. Untuk aplikasi mekanisme ini pada sebuah motor bakar, usaha hasil pembakaran bahan bakar dan oksigen yang berekspansi akan mendorong torak atau piston 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 2.2 memperlihatkan skema dari mekanisme engkol peluncur. Batang 1 adalah kerangka tetap, batang 2 adalah engkol, batang 3 adalah batang hubung, dan batang 4 adalah peluncur, yang mana pada kasus ini torak meluncur sepanjang silinder. ω 3 A g3 ω 1 2 R O2 θ 2 2 θ 3 3 β L φ R sinθ 2 = Lsinφ 4 B TMA a v X R + L Gambar 2.2 Geometri mekanisme engko l peluncur 9

33 Pada siklus Otto, 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[6]. Gambar 2.3 Tekanan Efektif Rata-Rata Pada Siklus Otto[6] Meskipun efisiensi dari siklus Otto sangat ditentukan oleh perbandingan kompresinya, akan tetapi nilai tekanan, temperatur dan kerja yang dihasilkan persiklus tergantung dari nilai P 1, T 1 dan Q 2-3. Selain itu selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah-ubah. Oleh karena itu sebaiknya dapat dicari harga tekanan tertentu (yang konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisa. Tekanan tersebut dinamakan tekanan efektif rata-rata (P ratarata)[4:hal30]. 10

34 Secara matematis hubungan antara tekanan gas dan gaya tekan dapat dituliskan sebagai berikut: F = P. Ap (2.1) dimana: P = Tekanan Gas, Pascal F = Gaya Tekan, Newton Ap = Luas Permukaan Piston = π 2 4 D D = diameter piston Untuk menghitung tekanan gas rata-rata yang terjadi pada siklus Otto dapat dihitung dengan menggunakan rumus: dimana: P rata-rata = Ne x V.a.n.i d (2.2) Ne = Daya Efektif (PS) ; n = Putaran crankshaft (rpm) P rata-rata = Tekanan Efektif rata-rata (kg/cm 2 ) V d = Volume Silinder (cm 3 ), i = Jumlah silinder a = Jumlah siklus perputaran = ½ untuk motor 4 langkah 2.3 Persamaan Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Seperti yang didiskusikan Mabie dan Reinholtz[1], perpindahan x dari peluncur torak (Batang 4) dimulai dari Titik Mati Atas (TMA), Top Dead Center 11

35 (TDC)) dapat dihitung dari gambar 2.2: x = ( R + L) ( R cosθ 2 + L cosφ) = R ( 1 cosθ 2 ) + L(1 cosφ) (2.3) Dapat dilihat juga bahwa, L sinφ = Rsinθ R sinφ = sinθ 2 (2.4) L Dengan menggunakan rumus identitas trigonometri dari 2 cosφ = 1 sin φ dan mensubsitusikan persamaan (2.4) ke persamaan (2.3), perpindahan x dapat ditulis kembali dengan: 2 R 2 x = R( 1 cosθ + 2 ) L 1 1 sin θ 2 (2.5) L Persamaan (2.5) dapat disederhanakan untuk memudahkan perhitungan 2 R 2 dengan mengganti 1 sin θ 2 L 2 dengan deret binomial dari: (1 ± B ) 2 1/ 2 = 1± R Dimana B = sinθ 2. L 1 2 B B 1.3B ± B ±... Pada penggunaan secara umum, ketelitian yang cukup dapat diperoleh dengan menggunakan dua orde pertama dari deret binomial tersebut. Dengan menerapkan deret ini ke persamaan (2.5) menghasilkan: [1,hal 19] 12

36 x 2 1 R 2 R( 1 cosθ 2 ) + L 1 1 sin θ 2 L = 2 2 R 2 ( 1 cosθ 2 ) sin θ 2 2 = R + (2.6) L Dengan θ 2 = ω 2. t dimana ω 2 adalah konstan, dari hasil turunan pertama dan turunan kedua dari persamaan x terhadap waktu, maka kecepatan dan percepatan peluncur torak diperoleh: [1,hal 20] dx R v = = Rω2 sinθ 2 + sin 2θ 2 (2.7) dt 2L 2 d x 2 R a = = Rω2 cosθ 2 + cos 2θ 2 2 dt (2.8) L 2.4 Analisa Gaya-Gaya Pada Motor Bakar Satu Silinder Dengan Metode Massa Terkonsentrasi Pada gambar 2.4 diperlihatkan mekanisme sebuah motor bakar satu silinder dengan pendekatan massa terkonsentrasi ekivalen batang hubung. Salah satu massa, M B3, berlokasi pada pena piston, dan yang lain terkonsentrasi di pena engkol, M A3. Kemudian, beban dinamis batang hubung diwakili oleh vektor gaya inersia F B3 dan F A3, besar gaya F B3 = M B3. A B dan F A3 = M A3. A A. Untuk semua fase mekanisme, garis aksi F B3 berada sepanjang garis bolak-balik pada pena piston, dan F A3 selalu mengarah keluar dari sumbu engkol secara seragam. 13

37 y P F B M B3 F 04 3 h F B3 φ g3 rd F A3 ω 2 θ 2 A 2 o 2 1 M A3 x T s F 12 F cw M cw d Gambar 2.4 Gaya-gaya yang bekerja pada mekanisme motor bakar (dari Mabie dan Reinholtz[1]) 14

38 Sesuai gambar 2.4, sudah merupakan hal umum untuk menambahkan massa M cw pada massa pengimbang (counterweight) engkol yang kemudian akan membangkitkan F cw untuk menghilangkan gaya F A3 massa batang hubung. Dengan cara ini, massa-massa yang berputar bersama engkol (massa engkol ditambah M A3 ) diseimbangkan sehingga pusat massa terletak di O 2 sehingga tidak ada gaya yang beraksi pada bantalan poros engkol. Kemudian akan diamati bahwa semua gaya yang bekerja pada batang hubung, gaya-gaya inersia dan gaya-gaya pada bantalan, beraksi pada ujung-ujung batang hubung A dan B. Tidak ada komponen gaya-gaya melintang di antara kedua ujung batang hubung untuk menekuk atau menggunting batang, oleh karena itu gaya-gaya hanya bekerja secara tarikan aksial dan tekanan aksial. Ini adalah hasil asumsi bahwa M A3 dapat ditempatkan pada pena engkol A. Bukti bahwa gaya batang hubung adalah searah aksial memungkinkan untuk menganalisa gaya-gaya pada mekanisme tanpa menggunakan metode superposisi. Gambar 2.4 menunjukkan gaya-gaya yang beraksi pada mekanisme. Dari gaya-gaya ini, F 4,F O4,F A3,F B3, dan F cw diketahui besar dan arah vektornya; F 14 diketahui hanya arahnya. Tidak ada yang diketahui pada gaya F 12 yang bekerja pada titik O 2. Persamaan untuk gaya-gaya ini, kecuali F 12, dapat ditulis: [1,hal 446] F 4 = (P + F O4 ) i (2.9) F B3 = F B3 j (2.10) F A3 ( cos( 90 θ ) i + sin ( θ ) j) = F A (2.11) F CW ( cos( 90 θ ) i + sin ( θ ) j) = (2.12) F A F 14 = F 14 i (2.13) 15

39 Pada gambar 2.5 diperlihatkan diagram benda bebas piston dan bagian atas batang hubung. Pada elemen ini beraksi gaya-gaya F 4,F B3,F 14, dan F CR. F 4 F 14 4 B φ 3 F B3 F CR Gambar 2.5 Gaya-gaya yang bekerja pada piston (dari Mabie dan Reinholtz[1]) Arah garis gayanya adalah sepanjang batang hubung karena batang hubung diganti menjadi dua massa terkonsentrasi. Persamaan untuk F CR dapat ditulis sebagai berikut: F CR ( sin φ i + cosφ j) = (2.14) F CR Karena piston dan bagian atas batang hubung berada pada kondisi setimbang oleh empat buah gaya yang beraksi,maka: F 4 + F B3 + F 14 + F CR = 0 (2.15) 16

40 Dengan melihat gambar 2.6, yang mana memperlihatkan bagian atas batang hubung dikenai gaya-gaya F B3, F CR dan F 43. Persamaan kesetimbangan berikut dapat ditulis: F B3 + F CR + F 43 = 0 (2.16) F B3 F 43 B φ 3 F CR Gambar 2.6 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi di titik B (dari Mabie dan Reinholtz[1]) Gambar 2.7 menunjukkan diagram benda bebas bagian bawah batang hubung yang dikenai gaya-gaya F CR, F A3 dan F 23. Persamaan kesetimbangan berikut dapat dituliskan: F CR + F A3 + F 23 = 0 (2.17) 17

41 F CR 3 F A3 F 23 Gambar 2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi di titik A (dari Mabie dan Reinholtz[1]) A Gambar 2.8 menunjukkan engkol dan pengimbang dikenai gaya-gaya F 32, F CW, dan F 12. Persamaan kesetimbangannya adalah: F 32 + F CW + F 12 = 0 (2.18) o 2 F 32 cw 2 F cw F 12 Gambar 2.8 Gaya-gaya yang bekerja pada poros engkol (dari Mabie dan Reinholtz[1]) 18

42 Dan akhirnya torka poros engkol Ts, dapat dengan mudah dihitung dengan korelasi: T s = F 14. h (2.19) 2.5 Getaran Mekanis Gerak adalah perpindahan titik dari koordinat satu ke koordinat yang lainnya. Sedangkan getaran adalah gerak bolak-balik yang melewati titik tetap. Pada umumnya, getaran merupakan bentuk energi sisa dan pada berbagai kasus tidak diinginkan. Khususnya hal ini pada mesin-mesin; karena getaran menimbulkan bunyi, merusak bagian mesin dan memindahkan gaya yang tidak diinginkan serta menggerakkan benda yang didekatnya (Thomson, 1981) Gerak Harmonis Gerak osilasi dapat berulang secara teratur atau dapat juga sangat tidak teratur. Jika gerak itu berulang dalam selang waktu yang sama τ, maka gerak disebut gerak periodik. Waktu pengulangan τ tersebut disebut perioda osilasi, sedangkan kebalikannya, f 1 = disebut frekuensi. Jika gerak τ dinyatakan dalam fungsi waktu x(t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t) = x(t + r). Bentuk gerak periodik yang paling sederhana adalah gerak harmonis. Kondisi ini dapat diperagakan dengan sebuah massa yang digantung pada sebuah pegas ringan, seperti terlihat pada Gambar 2.9. Jika massa tersebut dipindahkan dari posisi diamnya dan dilepaskan, maka massa tersebut akan berosilasi naik turun dengan persamaan: [3, hal 3] t x = A sin 2π τ (2.20) 19

43 Gambar 2.9 Gerak Osilasi Pegas dengan A adalah amplitudo osilasi diukur dari posisi setimbang massa, dan τ adalah perioda. Gerak diulang pada t = τ. Gerak harmonis sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan tetap kepada suatu garis lurus seperti terlihat dalam Gambar Dengan kecepatan sudut garis op sebesar w, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai: x = A sin ω n t (2.21) Besaran co biasanya diukur dalam radian per detik dan disebut frekuensi lingkaran. Karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan: 2π ω = = 2π f (2.22) τ dengan τ dan f adalah perioda dan frekuensi gerak harmonis, berturut-turut biasanya diukur dalam detik dan siklus per detik. Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan diferensiasi Pers dengan menggunakan notasi titik untuk turunannya, maka didapat: 20

44 π x = ω n Acosωnt = ωn Asin( ωnt + ) (2.23) x = ω Asinω t = ω Asin( ω t + π ) (2.24) n n n n Gambar 2.10 Gerak Harmonis sebagai Proyeksi Titik Bergerak pada Lingkaran Dengan demikian, kecepatan dan percepatan juga harmonis dengan frekuensi osilasi yang sama, tetapi mendahului simpangan, berturut-turut dengan π/2 dan π radian. Gambar 2.11 menunjukkan baik perubahan terhadap waktu maupun hubungan fasa vektor antara simpangan, kecepatan dan percepatan pada gerak harmonik. Gambar 2.11 Hubungan Fasa Vektor antara Simpangan, kecepatan, dan Percepatan 21

45 Peninjauan Persamaan 2.21 dan 2.24 menunjukkan bahwa 2 (2.25) x= ω x Sehingga dalam gerak harmonik, percepatan adalah sebanding dengan simpangan dan arahnya menuju titik asal. Karena Hukum Newton kedua untuk gerak menyatakan bahwa percepatan sebanding dengan gaya, maka gerak harmonik dapat diharapkan pada sistem dengan pegas linier dengan gaya bervariasi sebagai kx Getaran Bebas Dalam mengurangi efek getaran, salah satu pendekatannya yaitu melakukan studi lengkap terhadap persamaan gerakan sistem yang ditinjau. Sistem diidelisasikan dan disederhanakan dengan terminologi massa, pegas dan dashpot, yang berturut-turut menyatakan benda, elastisitas dan gesekan sistem. Kemudian persamaan gerakan (equation of motion), menyatakan perpindahan sebagai fungsi waktu atau akan memberikan jarak kedudukan massa sesaat selama gerakannya dan kedudukan kesetimbangannya. Kemudian dari persamaan gerakan diperoleh sifat penting sistem getaran yaitu frekuensi pribadi (natural frequency). Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem. Seperti yang ditunjukan dalam Gambar 2.12, perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan statik adalah Δ, dan gaya pegas kδ adalah sama dengan gaya gravitasi w yang bekerja pada massa m: [3, hal 16] kδ = w = m.g (2.26) Dengan mengukur simpangan x dari posisi kesetimbangan statik, maka gaya-gaya yang bekerja pada m adalah k(δ + x) dan w. dengan x yang dipilih positif dalam 22

46 arah ke bawah, semua besaran berupa gaya, kecepatan, dan percepatan juga positif dalam arah ke bawah. Gambar 2.12 Sistem Massa Pegas dan Diagram Benda Bebas Bilamana hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m sebagai berikut: Oleh karena kδ = w, maka diperoleh: m x = ΣF = w k( + x) (2.27) m x = kx (2.28) Dengan mendefinisikan frekuensi natural ω n lewat persamaan: m x + kx m( ω 2 n = 0 Asinω t( mω n Dengan syarat : Asinω t) + k( Asinω t) = 0 n 2 n + k) = 0 dimanis x = Asinω t 0 statis x = Asin ω t = 0 2 m n maka nilai ω + k = 0 sehingga n n n 2 k ω n = (2.29) m 23

47 Dan dapat ditulis sebagai x + ω 2 x = 0 (2.30) Perioda natural osilasi dibentuk dari ω n τ = 2π, atau: Sedangkan frekuensi naturalnya adalah: n m τ = 2π (2.31) k f n 1 1 k = = (2.32) τ 2π m 24

48 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Pendahuluan Bab ini berisikan metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini. Secara umum metodologi yang digunakan dalam skripsi ini dibagi kedalam beberapa 2 tahapan yaitu: (1) Permodelan mekanisme dengan software SolidWorks 2007; (2) Analisa perhitungan displacement pada crankshaft menggunakan MSc.visualNastran 4D Hasil dari analisa komputer akan ditampilkan pada bab IV. Dalam skripsi ini dilakukan studi kasus mekanisme motor bakar yang diaplikasikan pada sepeda motor merek Honda Tiger 2000, dimana data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel 3.1 dan tabel 3.2. Kemudian dilakukan permodelan dengan menggunakan bantuan software SolidWorks 2007 untuk memperoleh assembly dari mekanisme motor bakar. Hasil permodelan dikirim ke software MSc.visualNastran 4D Pada proses simulasi pada ujung crankshaft dipasang pegas tanpa redaman (undamped vibration) dengan nilai kekakuan dimulai dari 1x10E7 N/m hingga 1x10E12 N/m. Penentuan nilai kekakuan pegas didapat dari proses try dan error yang diketahui bahwa bila nilai kekakuan lebih kecil dari 1x10E7 N/m maka nilai displacement akan sangat besar, sedangkan bila lebih besar dari 1x10E12 N/m maka mekanisme engkol peluncur akan gagal. Spesifikasi pegas dapat dilihat pada lampiran 3. 25

49 3.2 Studi Kasus Spesifikasi Motor Bakar Satu Silinder. Sebagai studi kasus dalam skripsi ini, dipilih motor bakar jenis bensin yang biasa diaplikasikan pada sepeda motor. Adapun spesifikasi mesin yang digunakan dalam skripsi ini merupakan mesin dari sepeda motor Honda Tiger yang merupakan keluaran dari perusahaan sepeda motor terkemuka di Indonesia. Spesifikasi mesin tersebut dapat dilihat pada tabel 3.1. Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Honda Tiger 2000 Tipe 4 Langkah Diameter x Langkah Volume Silinder Jumlah Silinder 63.5 x 62,2 mm cc 1 Silinder Perbandingan Kompresi 9.0 : 1 Daya Maksimum Torsi Maksimum Berat Sistem Pengapian 16.7 PS / 8,500 rpm 1.60 kgf.m / 7,000 rpm 137 kg CDI-AC, Magneto Sumber: CV. Indako Trading Co Dimensi Motor Bakar Satu Silinder Data dimensi ini akan digunakan untuk proses permodelan dengan software Solid Work Hasil pengukuran dapat ditabulasikan pada tabel

50 Tabel 3.2 Dimensi Elemen Motor Bakar Honda Tiger 2000 Elemen Mesin Dimensi Massa Piston Diameter: 63.5 mm 150 gr Batang Hubung (L) 105 mm 206 gr Poros Engkol (R) 31,1 mm 2200 gr Pena Piston Pena Engkol Sumber: CV. Indako Trading Co. Diameter = 15 mm Panjang = 56 mm Diameter = 38 mm Panjang = 56 mm 50gr 280 gr Geometri Komponen Motor Bakar Satu Silinder Untuk proses analisa mekanisme displacement pada crankshaft, diperlukan geometri dari mekanisme motor bakar satu silinder. Bagian dari mekanisme motor bakar meliputi : (1) Piston; (2) Connecting rod; (3) Twist Pin; (4) Crank Pin; dan (5) Crankshaft. Dimensi dan geometri komponen dapat dilihat pada lampiran Vibratory System Gambar 3.1. Posisi pegas pada crankshaft Gambar 3.1. a memperlihatkan posisi pegas pada crankshaft yang dipasang pada sudut 0, 90, 180 dan 270 yang berada pada sumbu x dan y. Nilai kekakuan 27

51 pegas adalah sama (k 1 =k 2 =k 3 =k 4 ). Untuk mempermudah menganalisa nilai displacement maka diterapkan system super posisi yaitu dengan membagi dua posisi pegas, dengan masing-masing berada pada arah sumbu y (gambar 3.1.b) dan sumbu x (gambar 3.1.c). Maka ada dua persamaan, yaitu: m x + k + k ) x = f (3.1) x ( 2 4 x x m x + k + k ) x = f (3.2) y ( 1 3 y y Karena nlai k adalah sama maka persamaan 3.1 dan 3.2 menjadi m x + (2k) x = xy xy f xy Dan dapat disederhanakan 2 m ( ω x ) + (2k) x = xy xy f xy x ( mω + 2k) = 2 xy f xy x xy f xy = 2 ( mω + 2k) (3.3) 3.4 Analisa Pembebanan Pembebanan diawali dari mencari nilai gaya tekan yang terkonsentrasi di piston. Dengan melihat kembali gambar 2.5, besarnya konsentrasi gaya F dapat dihitung dengan menggunakan rumus 2.2: Tekanan gas efektif (Mep) dapat dihitung: Daya efektif (N e ) Diameter Piston (d) = 16.7 PS = 63.5 mm = 6.35 cm Panjang Langkah (L) = 2R = 62.2 mm = 6.22 cm 28

52 π Volume = ( d ). L = (6.35) = 1,9688 x10 2 cm 3 P rata-rata = Ne x V.a.n.i d dimana: Ne = Daya Efektif (Hp) ; n = Putaran crankshaft (rpm) P rata-rata = Tekanan Efektif rata-rata (kg/cm 2 ) V d = Volume Silinder (cm 3 ), i a = Jumlah silinder = Jumlah siklus perputaran = ½ untuk motor 4 langkah P rata-rata = 16.7x kg / cm x = kg/cm 2 = N/cm 2 Gaya tekan pada piston (F) diperoleh: F = P rata-rata. A π = N/cm 2 2. ( ) = 2800 N Diagram Alir Simulasi Dalam skripsi ini, aliran proses simulasi menggunakan bantuan komputer meliputi, yaitu (1) Proses pemodelan untuk membuat suatu sistem motor bakar satu silinder akan dilakukan dengan menggunakan bantuan software SolidWorks 2007, karena software SolidWorks 2007 ini mampu melakukan permodelan secara tiga dimensi (gambar 3.2); (2) Simulasi permodelan dengan menggunakan software MSc.visualNastran 4D 2004 (gambar 3.3). 29

53 MULAI Permodelan Bagian-Bagian Komponen (Piston, Pena Piston, Connecting rod, Pena engkol dan Crankshaft) sesuai dimensi. Membuat Assembly (Perintah mate ) Periksa Hubungan ke Menu Nastran Menghubungkan dengan Software Nastran Berhasil? Tidak Ya SELESAI Gambar 3.2 Diagram Alir Permodelan Dengan Software SolidWorks

54 MULAI Mengimport GEOMETRY ASSEMBLY Mendefenisikan TYPE OF JOINT (Revolute Joint, Rigid Joint, Bushing, Spring) Mendefenisikan MATERIAL PROPERTIES (E,υ,ρ,S y,s ut ) Menetapkan UKURAN MESH (5mm) Proses MESHING Berhasil? Tidak Ya Mendefinisikan ANALYSIS TYPE A B 31

55 A B Menetapkan KONDISI BATAS (Putaran = 8500 rpm) Menetapkan BEBAN (LOAD = 2800 N) Proses PENYELESAIAN SISTEM Berhasil? Tidak Ya Proses Penampilan Hasil Kinematika Mekanisme (tabel dan grafik posisi, kecepatan, percepatan). Besaran displacement pada ujung crankshaft Nilai kekakuan pegas yang paling efekif SELESAI Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi Dengan MSc.visualNastran 4D

56 3.6 Prosedur Simulasi Permodelan Mekanisme Motor Bakar Satu Silinder Karena keterbatasan software MSc.visualNastran 4D 2004 dalam hal permodelan, maka proses permodelan akan menggunakan bantuan software SolidWorks Program ini mampu membuat permodelan tiga dimensi dan mampu berkomunikasi dengan software MSc.visualNastran 4D 2004, sehingga hasil permodelan dengan Software SolidWorks 2007 akan mampu diterjemahkan secara baik oleh MSc.visualNastran 4D 2004, baik dimensi maupun goemetri objeknya. Gambar 3.4 Tampilan Layar Pembuka Software SolidWorks 2007 Proses permodelan dimulai dengan membuat permodelan bagian-bagian mekanisme motor bakar meliputi: (1) Piston; (2) Connecting rod; (3) Pin piston; (4) Crank Pin; dan (5) Crankshaft. 33

57 Gambar 3.5 Hasil Permodelan Komponen dengan Software SolidWorks 2007 Setelah semua bagian terbentuk, kemudian elemen-elemen tersebut disatukan dengan menggunakan perintah mate untuk membentuk sebuah asembling dari mekanisme kerja motor bakar. Hasil assembly dapat dilihat pada gambar 3.6. Gambar 3.6 Hasil Asembling dengan Software SolidWorks

58 3.6.2 Simulasi Motor Bakar Satu Silinder Dengan Msc Nastran Hasil asembling pada gambar 3.6, kemudian di export ke Software simulasi. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software komputer MSc.visualNastran 4D 2004, dimana software program ini mampu melakukan analisis pembebanan statis dan dinamis, analisa temperatur temperatur, deformasi, defleksi, tegangan pada truss, dan sebagainya. Pada gambar 3.7 merupakan tampilan awal MSc.visualNastran 4D Gambar 3.7 Tampilan Pembuka MSc.VisualNastran 4D Proses Import Mekanisme Hasil proses modeling objek dengan software SolidWorks 2007, kemudian di kirim ke MSc.visualNastran 4D 2004 untuk dilakukan simulasi kerja motor bakar satu silinder. Proses import dilakukan dengan mengklik VisualNastran > Connect. Proses import dapat dilihat pada gambar

59 Gambar 3.8 Proses Import Mekanisme 2. Pemodelan Pegas Pada crankshaft akan dipasang pegas untuk mengetahui nilai displacement yang terjadi ketika simulasi berjalan. Pegas akan dipasangkan pada ujung crankshaft menggunakan constraint spring dengan mengatur koordinat masingmasing pegas pada sudut 90 O dan panjang 50 mm. Gambar 3.9 Pemodelan Pegas 36

60 3. Mendefenisikan Type of Joint Setiap sambungan (joint) didefenisikan satu persatu agar makanisme dapat berjalan sebagaimana mestinya. Langkahnya adalah dengan mengklik Contraint Navigator > pilih sambungan (Move) > Contraint Properties > defenisikan jenis sambungannya. Dalam kasus ini terdapat 2 buah sambungan berbeda yaitu: (1) Rigid Joint untuk sambungan crank dengan pena engkol dan sambungan piston dengan pena piston, (2) Revolute Joint untuk sambungan connecting rod dengan pena engkol dan pena piston. (3) Bushing untuk sambungan crankshaft dengan pegas. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Gambar 3.10 Proses Type of Joint, 37

61 (a) Bushing Pada Crank dengan Pegas; (b) Rigid Joint Pada Crank-pin dengan Crank-1; (c) Revolute Joint Pada Crank-pin dengan Conrod; (d) Revolute Joint Pada Conrod dengan Piston-pin; (e) Rigid Joint Pada Crank-pin dengan Crank-2; (f) Rigid Joint Pada Piston dengan Piston pin 3. Mendefenisikan Material Properties Langkah selanjutnya adalah menentukan properties dari Pegas. Langkah mendefenisikan material properties adalah: Klik kanan objek > Properties > Spring/Damper >Natural Length > Spring Force > Apply Gambar 3.11 Memasukkan Material Properties 4. Menentukan Jenis Analisa Software MSc.visualNastran 4D 2004 memiliki beberapa kemampuan analisa, oleh karena itu harus didefenisikan jenis analisa yang akan dikerjakan 38

62 yaitu dengan cara: Klik menu World > Simulation Setting > FEA > Analisis type > Vibration > Displacements Gambar 3.12 Kotak Dialog Tipe Analisis 6. Menentukan Pembebanan (Load) Besar nilai pembebanan telah dipoleh dari perhitungan sub-bab 3.4. Pembebanan yang terjadi adalah akibat gaya tekan pada permukaan piston. Untuk memasukkan nilai pembebanan dilakukan dengan cara : Klik Force > Letakkan titik pembebanan pada permukaan piston > Masukkan nilai F = 2800 N. Gambar 3.13 Memasukkan Nilai Pembebanan (Load) 39

63 Pada gambar 3.14 menampilkan simulasi mekanisme motor bakar dengan menggunakan software MSc.visualNastran 4D Gambar Simulasi Mekanisme Motor Bakar Dengan Menggunakan Software MSc.visualNastran 4D Penampilan hasil Hasil analisa dengan MSc.visualNastran 4D 2004 meliputi, hasil berupa alat ukur analisa kinematika (tabel dan grafik posisi, kecepatan, percepatan) dan juga hasil FEA. Untuk menampilkan hasil dilakukan dengan cara: Klik menu insert > pilih meters > Pilih jenis meter. Dalam software MSc.visualNastran 4D 2004, terdapat fitur pengukuran. Fungsi dari masing-masing fitur pengukuran dapat dilihat pada tabel

64 Tabel 3.3 Fungsi fitur pengukuran pada MSc.visualNastran 4D 2004 Bagian Yang Dipilih Jenis Pengukuran Displacement Koordinat Gaya Sumber: Menu Help pada MSc.visualNastran 4D

65 BAB IV HASIL SIMULASI DAN DISKUSI 4.1 Pendahuluan Pada bab ini akan dibahas hasil analisa pada mekanisme pada motor bakar satu silinder dengan menggunakan software MSc.visualNastran 4D Analisa pada mekanisme ini dengan mengasumsikan bahwa motor dianalisa pada kondisi putaran konstan. Analisa dinamis ini mencakup perhitungan posisi, kecepatan, percepatan pada piston serta gaya yang beraksi pada main bearing mesin. Kemudian dilanjutkan dengan perhitungan displacement yang terjadi pada ujung crankshaft dengan menvariasikan nilai kekakuan pegas (k). Dalam analisa ini pegas yang akan dipasangkan pada crankshaft berjumlah empat(4) buah dengan karakteristik yang sama, dimana posisi masing-masing pegas berada pada sudut 0 0, 90 0, dan serta panjang 50 mm. Hasil simulasi akan berupa tabel dan juga grafik yang sangat mudah untuk dianalisa. Data yang akan diambil pada simulasi dimulai dari sudut putaran engkol hingga 720 0, hal ini dikarenakan untuk mendapatkan data yang benar-benar valid tanpa adanya faktor-faktor eksternal yang mengganggu. Akhir dari analisa ini diharapkan dapat ditentukan nilai optimal kekakuan pegas agar diperoleh nilai displacement terendah. 42

66 4.2 Analisa Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Piston Analisa kinematis menghasilkan nilai perpindahan, kecepatan dan percepatan, selanjutnya data-data hasil kinematika akan digunakan untuk menganalisis gaya dinamis yang terjadi. Pada analisa ini simulasi menggunakan software MSc.visualNastran 4D 2004 akan mendapatkan nilai posisi, kecepatan dan percepatan pada piston sebagai berikut: Tabel 4.1 Posisi, kecepatan dan percepatan piston (simulasi) θ 2 x v a Deg. mm m/s m/s^

67

68 Dari table 4.1 dapat disimpulkan: Perpindahan piston maksimum (x) : m Kecepatan piston maksimum (v) : m/s Percepatan piston maksimum (a) : m/s^2 Hasil simulasi pada table 4.1 dapat diplot dalam grafik pada gambar 4.1, 4.2, dan 4.3. Gambar 4.1 menampilkan perpindahan piston selama Perpindahan maksimum terjadi pada sudut 180 dan 540 yaitu m. Gambar 4.1 Grafik Posisi Piston vs Sudut Engkol 45

69 Gambar 4.2 Grafik Kecepatan Piston vs Sudut Engkol Gambar 4.3 Grafik Percepatan Piston vs Sudut Engkol 46

70 4.3 Analisa Konsentrasi Gaya-gaya Pada Bantalan dan Pena Analisa dinamis menghasilkan nilai gaya terkonsentrasi pada pena. Dari hasil simulasi, diperoleh gaya-gaya yang bekerja pada bantalan dan pena dari mekanisme akibat beban dinamis sebagai berikut : Tabel 4.2 Gaya-gaya pada bantalan dan pena akibat beban dinamis (simulasi) θ 2 F 43 (N) pena piston F 23 (N) pena engkol F 12 (N) Main bearing Torsi (N.m) (deg)

71

72 Dari table 4.2 dapat disimpulkan: F maksimum pada pena piston (F 43 ) : N F maksimum pada pena engkol (F 23 ) : N F maksimum pada main bearing (F 12 ) : N Torsi maksimum poros engkol (T) : N.m Gambar 4.4 Grafik Torsi Crankshaft vs Sudut Engkol Gambar 4.4 menampilkan torsi maksimum yang terjadi pada sudut 110 0, 250 0, dan sebesar N.m. 49

73 Gambar 4.5 Grafik Gaya-gaya yang beraksi Pada Pena vs Sudut Engkol 50

74 Dari Gambar 4.5 terlihat bahwa gaya maksimum pada pena piston (F 43 ) terjadi pada sudut dan yaitu sebesar N. Gaya maksimum pada pena engkol (F 23 ) terjadi pada sudut dan yaitu sebesar N. Gaya maksimum pada main bearing (F 12 ) terjadi pada sudut dan yaitu sebesar N. 51

75 4.4 Analisa Displacement Displacement terjadi akibat adanya gaya di main bearing (F 12 ) pada crankshaft sehingga bila dipasangkan pegas pada ujungnya akan menibulkan perpindahan. Perpindahan ini akan terdefinisi dalam dua sumbu axial yaitu x dan y. Pada sub-sub ini akan ditampilkan harga-harga perpindahan, kecepatan dan percepatan pada piston serta nilai gaya pada main bearing dan perpindahan pada crankshaft dengan memvariasikan nilai kekakuan pegas (k) Menggunakan pegas dengan k = 1x10E7 N/m Tabel 4.3 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e7 N/m (simulasi) θ 2 x v a F 12 x (crankshaft) (Main Bearing) Deg. m m/s m/s^2 Newton Sumbu x(m) Sumbu y(m) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 52

76 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-04 53

77 E E E E E E E E E E-04 Dari table 4.3 disimpulkan : Kecepatan maksimum : m/s Percepatan maksimum : m/s^2 F max pada main bearing : Newton Displacement max pada crankshaft (sumbu x) : 6.45E-04 m Displacement max pada crankshaft (sumbu y) : -4.78E-04 m Hasil simulasi bila diplot pada grafik Gambar 4.6 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 54

78 Gambar 4.7 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m Gambar 4.8 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 55

79 Gambar 4.9 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m sumbu x sumbu y Gambar 4.10 Displacement crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e7 N/m 56

80 Dari Gambar 4.6 hingga 4.10 terlihat bahwa Kecepatan maksimum terjadi pada sudut dan yaitu sebesar m/s. Percepatan maksimum terjadi pada sudut yaitu sebesar m/s^2. Gaya maksimum pada main bearing terjadi pada sudut sebesar Newton. Displacement maksimum pada crankshaft pada sumbu x terjadi pada sudut sebesar 6.45E-04 m dan pada sumbu y terjadi pada sudut sebesar -4.78E-04 m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E8 N/m Tabel 4.4 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e8 N/m (simulasi) θ 2 x v a F 12 x (crankshaft) (Main Bearing) Deg. m m/s m/s^2 Newton Sumbu x(m) Sumbu y(m) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 57

81 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 58

82 E E E E E E E E E E-05 Dari table 4.4 disimpulkan : Kecepatan maksimum : m/s Percepatan maksimum : m/s^2 F max pada main bearing : Newton Displacement max pada crankshaft (sumbu x) : -6.56E-05 m Displacement max pada crankshaft (sumbu y) : -1.11E-04 m Hasil simulasi bila diplot pada grafik Gambar 4.11 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 59

83 Gambar 4.12 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m Gambar 4.13 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 60

84 Gambar 4.14 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m Gambar 4.15 Displacement crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e8 N/m 61

85 Dari Gambar 4.11 hingga 4.15 terlihat bahwa Kecepatan maksimum terjadi pada sudut dan yaitu sebesar m/s. Percepatan maksimum terjadi pada sudut yaitu sebesar m/s^2. Gaya maksimum pada main bearing terjadi pada sudut sebesar Newton. Displacement maksimum pada crankshaft pada sumbu x terjadi pada sudut sebesar -6.56E- 05 m dan pada sumbu y terjadi pada sudut sebesar -1.11E-04 m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E9 N/m Tabel 4.5 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e9 N/m (simulasi) θ 2 x v a F 12 x (crankshaft) (Main Bearing) Deg. m m/s m/s^2 Newton Sumbu x(m) Sumbu y(m) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 62

86 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 63

87 E E E E E E E E E E E E E E E E-05 Dari table 4.5 disimpulkan : Kecepatan maksimum : m/s Percepatan maksimum : m/s^2 F max pada main bearing : Newton Displacement max pada crankshaft (sumbu x) : 2.89E-04 m Displacement max pada crankshaft (sumbu y) : -1.35E-04 m Hasil simulasi bila diplot pada grafik Gambar 4.16 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 64

88 Gambar 4.17 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m Gambar 4.18 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 65

89 Gambar 4.19 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m Gambar 4.20 Displacement crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e9 N/m 66

90 Dari Gambar 4.16 hingga 4.20 terlihat bahwa Kecepatan maksimum terjadi pada sudut dan yaitu sebesar m/s. Percepatan maksimum terjadi pada sudut yaitu sebesar m/s^2. Gaya maksimum pada main bearing terjadi pada sudut sebesar Newton. Displacement maksimum pada crankshaft pada sumbu x terjadi pada sudut sebesar 2.89E- 04 m dan pada sumbu y terjadi pada sudut sebesar -1.35E-04 m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E10 N/m Tabel 4.6 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e10 N/m (simulasi) θ 2 x v a F 12 x (crankshaft) (Main Bearing) Deg. m m/s m/s^2 Newton Sumbu x(m) Sumbu y(m) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 67

91 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 68

92 E E E E E E E E E E E E E E E E-05 Dari table 4.6 disimpulkan : Kecepatan maksimum : m/s Percepatan maksimum : m/s^2 F max pada main bearing : Newton Displacement max pada crankshaft (sumbu x) : -2.82E-04 m Displacement max pada crankshaft (sumbu y) : -1.82E-04 m Hasil simulasi bila diplot pada grafik Gambar 4.21 posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 69

93 Gambar 4.22 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m Gambar 4.23 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 70

94 Gambar 4.24 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m Gambar 4.25 Displacement crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e10 N/m 71

95 Dari Gambar 4.21 hingga 4.25 terlihat bahwa Kecepatan maksimum terjadi pada sudut dan yaitu sebesar m/s. Percepatan maksimum terjadi pada sudut yaitu sebesar m/s^2. Gaya maksimum pada main bearing terjadi pada sudut sebesar Newton. Displacement maksimum pada crankshaft pada sumbu x terjadi pada sudut sebesar -2.82E- 04 m dan pada sumbu y terjadi pada sudut sebesar -1.82E-04 m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E11 N/m Tabel 4.7 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e11 N/m (simulasi) θ 2 x v a F 12 x (crankshaft) (Main Bearing) Deg. m m/s m/s^2 Newton Sumbu x(m) Sumbu y(m) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 72

96 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 73

97 E E E E E E E E E E E E E E E E-05 Dari table 4.7 disimpulkan : Kecepatan maksimum : m/s Percepatan maksimum : m/s^2 F max pada main bearing : Newton Displacement max pada crankshaft (sumbu x) : -3.66E-04 m Displacement max pada crankshaft (sumbu y) : -1.06E-04 m Hasil simulasi bila diplot pada grafik Gambar 4.26 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 74

98 Gambar 4.27 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m Gambar 4.28 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 75

99 Gambar 4.29 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m Gambar 4.30 Displacement crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e11 N/m 76

100 Dari Gambar 4.26 hingga 4.30 terlihat bahwa Kecepatan maksimum terjadi pada sudut dan yaitu sebesar m/s. Percepatan maksimum terjadi pada sudut yaitu sebesar m/s^2. Gaya maksimum pada main bearing terjadi pada sudut sebesar Newton. Displacement maksimum pada crankshaft pada sumbu x terjadi pada sudut dan sebesar -3.66E-04 m dan pada sumbu y terjadi pada sudut sebesar -1.06E-04 m Menggunakan pegas dengan k = 1x10E12 N/m Table 4.8 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement dengan k=1x10e12 N/m (simulasi) θ 2 x v a F 12 x (crankshaft) (Main Bearing) Deg. m m/s m/s^2 Newton Sumbu x(m) Sumbu y(m) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 77

101 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 78

102 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 Dari table 4.8 disimpulkan : Kecepatan maksimum : m/s Percepatan maksimum : m/s^2 F max pada main bearing : Newton Displacement max pada crankshaft (sumbu x) : 3.37E-04 m Displacement max pada crankshaft (sumbu y) : -1.44E-04 m Hasil simulasi bila diplot pada grafik: Gambar 4.31 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m 79

103 Gambar 4.32 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m Gambar 4.33 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m 80

104 Gambar 4.34 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m Gambar 4.35 Displacement crankshaft vs sudut engkol dengan k=1x10e12 N/m 81

105 Dari Gambar 4.31 hingga 4.35 terlihat bahwa Kecepatan maksimum terjadi pada sudut dan yaitu sebesar m/s. Percepatan maksimum terjadi pada sudut yaitu sebesar m/s^2. Gaya maksimum pada main bearing terjadi pada sudut sebesar Newton. Displacement maksimum pada crankshaft pada sumbu x terjadi pada sudut sebesar 3.37E- 04 m dan pada sumbu y terjadi pada sudut sebesar -1.44E-04 m. 82

106 4.5 Hasil Perbandingan Displacement Maksimum Hasil analisa displacement crankshaft pada sub-sub bab 4.4 ditampilkan kembali pada tabel 4.9. Dari tabel 4.9 ini dapat dilihat nilai tegangan yang terjadi pada masing-masing crankshaft dengan nilai kekakuan pegas yang berbeda. Dari tabel 4.9 memperlihatkan bahwa nilai displacement terbesar terjadi pada crankshaft dengan kekakuan pegas 1x10E7 N/m yaitu sebesar -6.45E-04 m pada sumbu x dengan sudut Sedangkan nilai displacement terkecil terjadi pada crankshaft dengan kekakuan pegas 1x10E8 N/m yaitu sebesar -1.11E-04 m pada sumbu y dengan sudut Pada gambar 4.36 hingga 4.41 memperlihatkan grafik hubungan displacement crankshaft dengan sudut putaran hingga atau 10 kali putaran engko l. Grafik ini didapat dari hasil simulasi menggunakan software Msc.VisualNastran Dari grafik tersebut terlihat bahwa pada pegas dengan kekakuan 1x10E7 N/m kestabilan terjadi mulai sudut engkol 0 0 hingga dan nilai displacement sangat besar. Pada kekakuan 1x10E8 N/m kestabilan terjadi setelah sudut engkol hingga dan nilai displacement kecil. Sedangkan pada kekakuan 1x10E9, 1x10E10, 1x10E11, dan 1x10E12 terlihat tidak stabil bila dibandingkan dengan kekakuan 1x10E7 N/m dan 1x10E8 N/m. Grafik gabungan seluruh analisa dapat dilihat pada lampiran 5 yang dapat disimpulkan bahwa pada grafik kecepatan, percepatan dan gaya pada mainbearing vs sudut engkol terlihat bahwa nilai kecepatan yang berfluktuasi mulai terjadi pada pegas dengan k=1x10e10 keatas. Untuk displacement pada sumbu x dan y terlihat nilai displacement terbesar terjadi pada k=1x10e7, sementara yang lain cenderung stabil. 83

107 Tabel 4.9 Displacement maksimum yang terjadi pada crankshaft dengan kekakuan pegas berbeda Deg k=1x10e7 N/m k=1x10e8 N/m k=1x10e9 N/m k=1x10e10 N/m k=1x10e11 N/m k=1x10e12 N/m Sumbu x Sumbu y Sumbu x Sumbu y Sumbu x Sumbu y Sumbu x Sumbu y Sumbu x Sumbu y Sumbu x Sumbu y E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 84

108 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 85

109 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-05 86

110 Gambar 4.36 Displacement pada crankshaft vs dudut engkol ( ) dengan pegas k=1x10e7 N/m Gambar 4.37 Displacement pada crankshaft vs sudut engkol ( ) dengan pegas k=1x10e8 N/m Gambar 4.38 Displacement pada crankshaft vs sudut engkol ( ) dengan pegas k=1x10e9 N/m 87

111 Gambar 4.39 Displacement pada crankshaft vs sudut engkol ( ) dengan pegas k=1x10e10 N/m Gambar 4.40 Displacement pada crankshaft vs sudut engkol ( ) dengan pegas k=1x10e11 N/m Gambar 4.41 Displacement pada crankshaft vs sudut engkol ( ) dengan pegas k=1x10e12 N/m 88

112 4.6 Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Manual Sub bab ini bertujuan untuk membandingkan hasil simulasi dengan perhitungan manual sesuai teori. Perbandingan hanya dilakukan pada proses simulasi tanpa menggunakan pegas pada crankshaft. Hal ini dilakukan dikarenakan nilai parameter awal yang diperlukan selalu berubah-ubah seiring dengan perubahan nilai kekakuan pegas. Perbandingan hasil dilakukan pada sudut engkol Perhitungan manual dapat dilihat pada lampiran 4. Hasil verifikasi ditampilkan pada tabel Tabel 4.10 Verifikasi hasil simulasi dan perhitungan manual pada sudut engkol Parameter Simulasi Manual Galat x piston (m) % v (m/det) % a (m/det 2 ) % F 43 (N) % F 23 (N) % F 12 (N) (k=1x10e8) % T (N.m) % x crankshaft (m) k=1x10e8 N/m -1.11E-04m 2.89E-06 m 89

113 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Pada analisa gaya-gaya pada bantalan dan pena pada mekanisme engkol peluncur diperoleh gaya terbesar terjadi pada pena engkol (F 23 ), sedangkan gaya terkecil bereaksi pada pena piston (F 43 ), seperti yang dapat dilihat pada tabel 5.1. Tabel 5.1 Besar gaya-gaya pada bantalan dan pena akibat beban dinamis F 43 (N) F 23 (N) F 12 (N) (pena piston) (pena engkol) (Main bearing) θ 2 (deg) Dari hasil simulasi displacement yang terjadi di crankshaft pada mekanisme engkol peluncur dengan menggunakan pegas diperoleh nilai displacement terbesar terjadi pada crankshaft dengan kekakuan pegas 1x10E7 N/m sebesar 6.45E-04 m pada sumbu x dengan sudut Sedangkan nilai displacement terkecil terjadi pada crankshaft dengan kekakuan pegas 1x10E8 N/m sebesar-1.11e-04 m pada sumbu y dengan sudut Maka nilai kekakuan pegas yang paling efektif adalah 1x10E8 N/m. 3. Bahwa semakin besar nilai kekakuan pegas maka sistem semakin tidak stabil dan displacement pada crankshaft akan semakin kecil, sedangkan jika semakin kecil nilai kekakuan pegas maka sistem lebih stabil dan nilai displacement akan lebih besar. 90

114 5.2 Saran 1. Simulasi dengan menggunakan bantuan komputer sangat membantu dalam proses desain komponen suatu mesin. Namun pengujian laboratorium juga merupakan syarat yang mutlak untuk mengetahui kondisi real dilapangan. 2. Diharapkan simulasi komputer dengan menggunakan software MSc.Visual Nastran 4D 2004 dan permodelan dengan Solid Work 2007 dapat dikembangkan lebih lanjut di Departemen Teknik Mesin FT-USU. 3. Hasil skripsi ini dapat dijadikan rujukan dalam penelitian berikutnya. 4. Sebaiknya diadakan simulasi untuk crankshaft dengan menvariasikan jumlah pegas. 5. Untuk membandingkan hasil analisa sebaiknya dilakukan simulasi menggunakan program lain. 91

115 DAFTAR PUSTAKA 1. Mabie, H. H and Ovcvirk, F.W.(1978). Kinematics and Dinamics of Machinery. New Jersey. John Willey and Sons,Inc. 2. Holowenko, A.R. alih bahasa Prapto, Cendy (1996). Dinamika Permesinan. Cetakan Kelima. Jakarta. Penerbit Erlangga. 3. Thomson, William T. (1986). Teori Getaran Dengan Penerapan edisi kedua. Jakarta: Penerbit Erlangga. 4. Wiranto Arismunandar. (1980). Dasar-Dasar Motor Bakar Torak. Bandung: Penerbit Institut Teknologi Bandung. 5. Susatio, Yerri. (2004). Dasar-Dasar Metode Elemen Hingga. Yogyakarta: Penerbit Andi Yogyakarta. 6. Norton, Robert L. (2004). Design of Machinery third edition. Singapore: Mc.Graw Hill. 7. Timoshenko, S., (1960). Strenght Of Materials. Third Edition, Part-1. Van Nostrand Company, Ltd., London. p.: Mott, Robert L. (2004). Machine Elements in Mechanical Design, 4 th edition. New Jersey: Prantice Hall. 9. Moaveni, Saeed.(1999). Finite Element Analysis Theory and Aplication with Ansys. New Jersey: Prentice Hall. 10. Bronson, Charles. (2005). Analisa Gaya Kocok Pada Motor Bakar Satu Silinder Dengan Bantuan Komputer. Medan: Tugas Akhir Mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 11. Fahryanto. (2008). Analisa Pengaruh Beban Statis Dan Dinamis Terhadap Kekuatan Batang Hubung (Connecting Rod) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga. Medan: Tugas Akhir Mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 92

116 LAMPIRAN

117 i LAMPIRAN 1 SPESIFIKASI HONDA TIGER 2000