BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan Bab ini memberikan gambaran umum tentang latar belakang pengertian pembangkitan gaya pada mekanisme sebuah mesin bolak-balik (reciprocating engine) Gambar 2.1 Reciprocating Engine Dari gambar : 1. Piston 3. Poros engkol 2. Connecting rod 6

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 (F i ), F i merupakan gaya inersia yang bekerja pada pusat torak P, yang besarnya adalah F i = m p. a p, dimana m p massa keseluruhan piston dan a p adalah percepatan piston. Sehingga gaya yang menekan piston F px 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 ω 1. Dan juga mengakibatkan batang penghubung (connecting rod) bergerak dengan kecepatan angular ω 2 dan mengalami percepatan angular α Mekanisme Engkol Peluncur Motor bakar satu silinder menggunakan mekanisme engkol luncur dalam pengoperasiannya. Untuk aplikasi mekanisme ini pada sebuah motor bakar, usaha 7

3 hasil pembakaran bahan bakar dan oksigen berekspansi akan mendorong torak yang dilanjutkan ke batang penghubung yang akan memutar poros engkol, yang kemudian diidealisasikan akan menghasilkan putaran konstan dengan bantuan sebuah roda gila (fly wheel). Gambar 2.3 memperlihatkan skema dari mekanisme engkol peluncur horizontal. O adalah kerangka tetap, R adalah radius poros engkol yang bergerak rotasi yang terpusat di O dan L adalah batang penghubung dan P adalah peluncur, yang mana pada kasus ini torak meluncur sepanjang silinder atau bergerak translasi. θ adalah sudut gerak poros engkol. η adalah sudut perubahan batang hubung terhadap torak. Dan G adalah titik berat batang hubung. Gambar 2.3 Geometri mekanisme engkol luncur 8

4 2.3. Persamaan Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Torak TMA R L -L Sin β = R Sin θ R + L X Gambar 2.4 Geometri engkol peluncur Seperti yang terlihat pada gambar 2.4 Torak P bergerak sepanjang silinder, dengan posisi X. Perpindahan X dimulai dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB). x = (R+L)-(R Cos θ + L Cos η) = R(1-Cos θ) + L(1-Cos η) (2.1) Dengan menggunakan aturan Sinus pada OCP, L Sin η = R Sin θ Sin η = Sin θ (2.2) Dengan menggunakan rumus identitas trigonometri dari dan mensubsitusikan persamaan (2.2), Cos η = (2.3) 9

5 Persamaan (2.3) dapat disederhanakan untuk memudahkan perhitungan selanjutnya dengan menggunakan deret binomial, = Dimana B = Pada penggunaan secara umum, ketelitian yang cukup dapat diperoleh dengan menggunakan dua orde pertama dari deret binomial tersebut dan menghilangkan factor-faktor yang mendekati nol. Dengan menerapkan deret ini ke persamaan (2.3) menghasilkan : Cos η = (2.4) Dengan mensubsitusikan persamaan (2.4) ke persamaan (2.1) didapat, Sehingga perpindahan posisi torak x adalah, (2.5) Turunan pertama dari x terhadap waktu adalah kecepatan maka, Berdasarkan identitas trigonometri, (2.6) 10

6 (2.7) Dengan mensubsitusikan persamaan (2.7) ke persamaan (2.6), (2.8) (2.9) Sehingga kecepatan piston, Turunan pertama dari kecepatan piston v p atau turunan kedua dari posisi piston x adalah percepatan piston a p. Sehingga percepatan piston adalah, (2.10) 11

7 2.4. Analisa Gaya Bearing Pen Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada peluncur dapat dilihat pada gambar 2.5. Metode yang digunakan seperti bahan rujukan, jurnal analisa kinematika dan kinetic motor Nissan oleh Rajkorbahan, dengan menggunakan metoda newton. Fp y Fp x P Fg m p a p Wp N Gambar 2.5 Diagram benda bebas piston Pada gambar 2.5 dapat dilihat bahwa F PY merupakan gaya yang terjadi pada titik P untuk komponen vertikal dan F PX 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 F g dan gaya inersia yang ditimbulkan m p a p dikategorikan menjadi komponen horisontal. Sehingga, (2.11) 12

8 Sedangkan pada komponen vertikal terdapat berat piston w p dan N gaya yang bekerja pada dinding silinder. Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung atau connecting rod dapat dilihat pada gambar 2.6. Fc x C -I zz.α 2 m c.a cgy G m c.a cgx Fp y Fc y Wc Gambar 2.6 Diagram benda bebas connecting rod η P Fp x Dari gambar 2.6 dapat dilihat connecting rod CP, yang mengalami percepatan angular yang arahnya searah sumbur-z menimbulkan momen inersia I zz. Pada connecting rod CP juga terdapat gaya yang terbagi menjadi komponen vertikal dan horizontal. F CX merupakan gaya pada titik C untuk komponen horizontal, sedangkan pada komponen horizontal terdapat F PX dan m c.a cgx yang merupakan gaya inersia untuk komponen horizontal pada connecting rod. Sedangkan F CY yang merupakan gaya pada titik C untuk komponen vertikal. Komponen vertikal pada batang hubung ini adalah W C berat batang hubung dan m c.a cgy gaya inersia untuk komponen vertikal. 13

9 (2.12) (2.13) Karena F CY dan F PY belum diketahui, dengan menggunakan momen pada titik G. Karena U + S = L, maka 14

10 (2.14) Sehingga dapat diketahui F CY, (2.15) Izz didapat dari hasil pengukuran dengan menggunakan software SOLIDWORKS. Fcy m pe.a gpy Fcx m pe.a gpx Frx Wpe Fry Gambar 2.7 Diagaram benda bebas poros engkol Gambar diatas merupakan diagram benda bebas untuk poros engkol, analisa yang dilakukan pada poros engkol dengan mengganggap titik berat poros engkol R/2, dan poros engkol tanpa beban imbang counter weight. Karena poros engkol dianggap berputar pada kecepatan konstan, sehingga percepatan sudut poros engkol dianggap nol. 15

11 2.5. Analisa Torsi Analisa torsi kali ini berdasarkan referensi dari jurnal seperti yang terdapat pada lampiran. Dimana torsi yang terjadi pada mekanisme engkol luncur kali ini adalah gaya-gaya komponen horizontal F CX dan vertikal F CY pada titik C dikalikan panjang dari poros engkol itu sendiri. F CY F CX C R T O θ Gambar 2.8 Diagram benda bebas crankshaft Sedangkan untuk memperoleh gaya yang ditimbulkan oleh gas dengan menggunakan tekanan efektif rata-rata pada siklus otto. 16

12 2.6. Gaya Tekan Pada Permukaan Piston Pada siklus Otto gambar 2.9, energi yang dihasilkan berasal dari pembakaran antara campuran bahan bakar. Hasil pembakaran akan menghasilkan tekanan gas yang menekan piston, kemudian diteruskan sampai poros engkol untuk menghasilkan tenaga. Gaya tekan pada siklus Otto bergantung pada tekanan gas yang terjadi akibat ledakan dari pembakaran bahan bakar. Karena selama siklus Otto tekanan dan temperatur selalu berubah-ubah tiap perubahan sudut gerak poros engkol maka sebaiknya dicari harga tekanan konstan yaitu tekanan efektif rata-rata. Gambar 2.9 Siklus OTTO (sumber : Thermodynamic 6 th, Cengel) 17

13 Untuk menghitung tekanan gas rata-rata yang terjadi pada siklus Otto dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Internal Combustion Engine Fundamentals, Heywood John-B) (2.16) Dimana, P = Daya efektif (kw) Peff = mean efektif pressure (kpa) V d = Volume silinder (dm 3 ) N n R = Putaran poros engkol (R.P.S) = 2 (Motor 4 tak) Dan secara matematis gaya yang ditimbulkan hasil pembakaran pada permukaan torak adalah, (2.17) Dimana, A = Luas permukaan kepala piston = (π/4).d 2 D = Diameter piston (cm) 2.7 Md ADAM Berdasarkan Md Adams Help, Md adams adalah software MSC berbasis Computer Aided Engineering (CAE) yang fungsi utamanya multi disiplin ilmu yang mengintegrasikan sistem-sistem seperti komponen-komponen mekanik, pneumatik, hidrolik, elektronik dan sistem kontrol teknologi yang memungkinkan 18

14 para insinyur untuk membangun dan menguji prototipe secara virtual menjelaskan interaksi antara subsistem. Md adams software yang dapat meningkatkan efisiensi teknik dan dapat mengurangi biaya pengembangan produk dengan melakukan validasi lebih awal. Insinyur dapat mengevaluasi dan mengelola interaksi tiap disiplin ilmu seperti gerakan, aktuasi, dan pengendalian agar produk bekerja lebih optimal seperti kinerja, keamanan, dan kenyamanan. Seiring dengan kemampuan analisis yang luas Produk-produk yang terdapat pada MD Adams 2010 diantaranya : Adams/ Car Adams/ Chassis Adams/ Driveline Adams/ Flex Adams/ Insight Adams/ PostProcessor Adams/ View Pada analisa kinematika dan dinamika mekanisme engkol luncur akan menggunakan salah satu produk adams yaitu Adams/ View. Adams/ View adalah produk Adams yang sangat powerful dalam bentuk pemodelan dan simulasi. Pengguna Adams dapat membangun dan mensimulasikan sebuah model yang memiliki part yang bergerak. 19

15 Berikut penggunaan Adams/ View : Start menu, Programs, MSC.Software, MD Adams 2010, AView, Adams - View Gambar 2.10 Membuka ADAMS/ View Membuat Model Saat memulai adams/ View, adams/ View akan menampilkan window berupa welcome dialogue box yang memberi pilihan pada pengguna apakah membuat sebuah model yang baru atau membuka model yang telah ada. 1. Memilih salah satu pilihan yang terdapat pada window seperti pada tabel berikut : Tabel 2.1 : Tampilan pilihan pada window ADAMS/ VIEW Pilihan Pada Tabel Fungsi Create a New Model Membuat sebuah model yang baru Open an Existing Database Membuka model yang telah ada Import File Membuka model dari database adams yang telah ada. Exit Keluar dari adams/ View 2. Jika memilih membuat model yang baru, terdapat pilihan penggunaan gravitasi pada model, Earth Normal : Gravitasi normal sebesar 1 G No Gravity : Tidak menggunakan gravitasi 20

16 Other 3. Menyeleksi satuan yang akan digunakan. MMKS : millimeter, kilogram, secon MKS : meter, kilogram, second CGS : centimeter, gram, dyne IGS : inci, slug, pound gaya 4. Pilih OK Proses Pemodelan Tahap-tahap pada pengerjan adams/ View adalah : Build Test Review Improve Gambar 2.11 Proses pemodelan Tahap pertama yang dilakukan adalah membangun model, melakukan percobaan pada model, peninjauan pada model, dan dilakukan pengembangan terhadap model jika diperlukan. 21

17 Adams/ View Berikut tampilan adams/ View pada jendela utama. Tool Box Adams/ View Tabel 2.2 : Deskripsi Tool Gambar 2.12 Window pada ADAM/ View Ikon Deskripsi Tool seleksi Pemodelan bentuk-bentuk geometri Tool pengukuran Undo dan Redo Tool sambungan Tool simulasi 22

18 Tool pewarna Tool motor penggerak Kontrol animasi Tool Move Tool Forces PostProcessor Menampilkan model dalam satu window Menampilkan model saat diseleksi Menampilkan model pada titik pusat model Merotasi model Translate Tool Stack See Dynamically Zooming the Display Increment Entering a value lets you more precisely control the view display changes, such as zooming and rotations. View Orientation Tools See Orienting the View Using an Object XY See Orienting the View Using Three Points 23

19 Background Color Tool Stack Toggle Tool Stack Window Layout Grid See Working grid Depth See Setting the View Perspective Render See Rendering mode Icons Toggles the display of icons. 24