BAB II DASAR TEORI. Gambar 2.1 Skema Dinamometer (Martyr & Plint, 2007)

Transkripsi

1 3 BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Dinamometer Dinamometer adalah suatu mesin yang digunakan untuk mengukur torsi (torque) dan daya (power) yang diproduksi oleh suatu mesin motor atau penggerak berputar lain. Gambar 2.1 Skema Dinamometer (Martyr & Plint, 2007) Gambar 2.1 menunjukkan skema dinamometer. Bagian-bagian dari dinamometer antara lain: a. Engine under test, yaitu mesin yang akan diuji unjuk kerjanya. b. Coupling, yaitu suatu sambungan antara mesin dan poros dinamometer. c. Tachometer untuk mengukur kecepatan putaran mesin. d. Rotor, suatu komponen berputar yang akan menyerap daya dari mesin dan dikopel pada mesin uji. e. Housing, bagian luar dinamometer yang akan ikut bergerak karena putaran rotor. Housing harus dikondisikan dalam keadaan bebas bergerak. f. Torque arm, yaitu lengan torsi yang dihubungkan pada housing. g. Scales, yaitu neraca yang digunakan untuk menunjukkan skala pembebanan untuk menghitung torsi. h. Trunnion, yaitu bearing agar housing dapat dalam kondisi bebas bergerak. 3

2 4 Terdapat beberapa jenis dinamometer, seperti dinamometer normal (absorber). Prinsip kerja dinamometer ini menyerap daya yang diukur kemudian dapat dilakukan pengukuran torsi dan daya. Jenis lain adalah dinamometer penggerak yang prinsip kerjanya adalah dinamometer memutar suatu alat yang penggerak dapat berupa motor atau generator. Dinamometer dapat digunakan sebagai bagian dari pengujian untuk berbagai aktivitas pengembangan mesin seperti kalibrasi pengontrol manajemen mesin, pengembangan sistem pembakaran dsb. 2.2 Prinsip Kerja Dinamometer Meskipun terdapat banyak tipe dinamometer, tetapi pada prinsipnya semua dinamometer bekerja seperti dilukiskan dalam Gambar 2.2. Gambar 2.2 Prinsip kerja Dinamometer Keterangan : r : Jari-jari rotorr (m) W : Beban pengimbang (Kg) f : Gaya kopel (N) L : Panjang lengan pengimbang (m) Prinsip kerjanya adalah saat rotor A diputarkan oleh sumber daya motor yang diuji, dengan stator dalam keadaan setimbang. Bila dalam keadaan diam maka ditambahkan sebuah beban pengimbang W yang dipasangkan pada lengan C dan diengselkan pada stator B. Karena gesekan yang timbul, maka gaya yang terjadi di dalam stator diukur dengan timbangan D dan penunjukannya merupakan beban atau muatan dinamometer. Dalam satu poros, keliling rotor bergerak sepanjang 2.π.r melawan gaya kopel f. Jadi tiap putaran adalah 2.π.r.f

3 5 Momen luar yang dihasilkan dari pembacaan D dan lengan L harus setimbang dengan momen putar yaitu r x f, maka r x f = D x L. Jika motor berputar dengan n putaran tiap menit, maka kerja per menit harus sama dengan 2.π.D.L.n, harga ini merupakan suatu daya, karena menurut definisi daya dibatasi oleh waktu, kecepatan putar dan kerja yang terjadi. 2.3 Jenis-Jenis Dinamometer Berikut ini beberapa jenis dinamometer, antara lain: a. Frictional (Prony Break) Dynamometer Poros memutar piringan (disc) dan sebuah rem menekan menghasilkan gesekan pada lapisan luar piringan yang mengurangi putaran. Gaya pada pengereman sama dan berlawanan dengan gaya pada piringan. Skema frictional dynamometer dapat dilihat pada Gambar 2.3. Gambar 2.2 Frictional Dynamometer (Gitano-Briggs, 2008) b. Hydraulic Dynamometer Poros menggerakkan impeller pada pompa, fluida yang bekerja dipompa melalui jalur hidrolik masuk katub throttle. Gaya tarik hidrolik membebani gerakan pada impeller. Katub throttle harus disesuaikan dengan memvariasikan beban mekanik. Dinamometer jenis hidrolik biasanya memiliki kerapatan daya yang tinggi. Skema hydraulic dynamometer dapat dilihat pada Gambar 2.4.

4 6 Gambar 2.4 Hydraulic Dynamometer (Gitano-Briggs, 2008) c. Generator type Dynamometer Poros memutar rotor dari generator dan beban listrik menggunakan hasil keluaran dari generator. Kekuatan elektromagnetik menolak gerakan rotasi rotor. Beban keluaran untuk dynamometer biasanya berupa pemanas udara atau air dingin. Umumnya gulungan medan arus dikontrol untuk memvariasikan beban mekanik. Skema generator type dynamometer dapat dilihat pada Gambar 2.5. Gambar 2.3 Generator type Dynamometer (Gitano-Briggs, 2008)

5 7 d. Eddy Current Dynamometer Poros memutar sebuah piringan (disc) yang terletak didalam rumah (housing) yang berisi kumparan elektro-magnet yang besar. Ketika arus melewati kumparan akan menghasilkan medan magnet yang kuat di piringan, hal ini juga akan menghasilkan arus yang berputar di piringan yang berlawanan dengan putaran piringan, menghasilkan torsi diantara housing dan piringan. Variasi arus akan membuat torsi menjadi bervariasi juga. Skema eddy current dynamometer dapat dilihat pada Gambar 2.6. Gambar 2.6 Eddy Current Dynamometer (Gitano-Briggs, 2008) e. Fan Dynamometer Poros berputar menggerakkan kipas yang memindahkan udara. Kipas harus dikalibrasi pada gesekan dinamometer sebelum digunakan dan beban memperhitungkan pada temperatur, tekanan udara dan kelembaban. Dinamometer ini jarang digunakan, tetapi sangat murah. Kipas memiliki 2 orientasi, yaitu : beban tinggi (normal) dan beban rendah (terbalik). Skema fan dynamometer dapat dilihat pada Gambar 2.7.

6 8 Gambar 2.7 Fan Dynamometer (Gitano-Briggs, 2008) f. Vehicle Dynamometer Kendaraan dapat membebani dan mengendalikan untuk mengukur kecepatan dan percepatan. Dengan mengetahui kecepatan dan percepatan kendaraan dan rasio roda gig kita dapat mengukur torsi mesin. Teknikk ini membutuhkan area yang panjang untuk pengujian, biasanya hanya digunakan untuk pengukuran kasar dari torsi atau daya maksimal mesin. 2.4 Daya Hantar Listrik Setiap dari penghantar mempunyai nilai daya hantar listrik yang berbeda-beda tergantung dari bahan yang digunakan, karena di dalam setiap bahan mempunyai hambatan dalam. Besarnya hambatan tersebut dapat dihitung dengann rumus : R = Besarnya hambatan (Ω) l = Panjang penghantar (m) ρ = Hambatan jenis (Ω mm /m) A = Luas penampang (m ) R = ρ l A (2.1)

7 9 2.5 Medan Magnet pada Solenoida Sebuah kawat dibentuk seperti spiral yang selanjutnya disebut kumparan, apabila dialiri arus listrik maka akan berfungsi seperti magnet batang. rumus : Gambar 2.8 Solenoida Besarnya medan magnet disumbu pusat (titik O) solenoida dapat dihitung dengan B = μ I N L B = Medan magnet pada pusat solenoida dalam tesla ( T ) = Permeabilitas ruang hampa = 4п Wb/Am I = Kuat arus listrik dalam ampere ( A ) N = Jumlah lilitan dalam solenoida L = Panjang solenoida dalam meter ( m ) Besarnya medan magnet di ujung solenoida (titik P) dapat dihitung : (2.2) B = 1 2 μ I N L B = Medan magnet diujung solenoida dalam tesla ( T ) N = Jumlah lilitan pada solenoida dalam lilitan I = Kuat arus listrik dalam ampere ( A ) L = Panjang solenoida dalam meter ( m ) (2.3)

8 Permeabilitas Menurut satuan internasional, permeabilitas hampa udara mempunyai nilai 4πx10-7 Wb/Am atau 12,57x10-7Wb/Am. Nilai permeabilitas bahan magnet adalah tidak konstan, dimana sebagian besar tergantung pada besarnya kekuatan magnetisasi yang dikenakan padanya. Besarnya permeabilitas suatu bahan magnet selalu diperbandingkan terhadap permeabilitas hampa udara, dimana perbandingan tersebut disebut permeabilitas relatif. Permeabilitas relatif didefinisikan sebagai berikut : = (2.4) µr = Permeabilitas relatif µo = Permeabilitas hampa udara (Wb/ Am) µ = Permeabilitas bahan (Wb/ Am) 2.7 Torsi T = B I A N (2.5) B = Medan magnet (T) I = Arus listik (A) A = Luas penampang solenoida (m ) N = Jumlah lilitan 2.8 Prinsip Operasi Daya Dinamometer Tindakan sebuah dinamometer menyerap sebagai beban yang digerakkan oleh penggerak utama yang sedang diuji. Dinamometer harus mampu beroperasi pada kecepatan dan beban apapun untuk setiap tingkat torsi yang dibutuhkan. Daya yang diserap oleh dinamometer diubah menjadi panas dan panas umumnya terdisipasi ke udara atau ditransfer ke pendingin air yang terdisipasi ke udara. Pada dinamometer, daya (P) tidak diukur secara langsung melainkan dihitung dari torsi (T) dan nilai-nilai kecepatan sudut (ω) atau gaya (F) dan kecepatan linear (v) : P = T ω atau P = F v (2.6)

9 11 P = Daya (Watt) T = Torsi (Nm) ω = Kecepatan sudut (Rpd) F = Gaya (N) v = Kecepatan linear (m/s) Pembagian dengan konversi yang konstan mungkin diperlukan tergantung pada unit ukuran yang digunakan. Untuk satuan HP : P T n = Daya (Hp) = Torsi (lb.ft) = Kecepatan rotasi (rpm) 5252 = Konstanta Untuk satuan KW : P = T n 5252 (2.7) P T N = Daya dalam (KW) = Torsi dalam (Nm) = Kecepatan rotasi (rpm) 9549 = Konstanta P = T n 9549 (2.8) 2.9 Poros (Shaft) Pengertian Poros Poros adalah suatu bagian stasioner yang beputar, biasanya berpenampang bulat dimana terpasang elemen-elemen seperti universal joint, roda gigi (gear), pulley, flywheel, engkol, sprocket dan elemen pemindah lainnya. Poros bisa menerima beban lenturan, beban tarikan, beban tekan atau beban puntiran yang bekerja sendirisendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya.

10 Fungsi Poros Poros dalam sebuah mesin berfungsi untuk meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Setiap elemen mesin yang berputar, seperti puli sabuk mesin, piringan kabel, tromol kabel, roda jalan dan roda gigi, dipasang berputar terhadap poros dukung yang tetap atau dipasang tetap pada poros dukung yang berputar. Contohnya sebuah poros dukung yang berputar, yaitu poros roda keran pemutar gerobak Jenis-Jenis Poros Berdasarkan Pembebanannya Jenis-jenis poros berdasarkan pembebanannya antara lain : a. Poros Transmisi (Transmission Shafts) Poros transmisi lebih dikenal dengan sebutan shaft. Shaft akan mengalami beban puntir berulang, beban lentur berganti ataupun kedua-duanya. Pada shaft, daya dapat ditransmisikan melalui gear, belt pulley, sprocket rantai, dll. b. Gandar Poros gandar merupakan poros yang dipasang diantara roda-roda kereta barang. Poros gandar tidak menerima beban puntir dan hanya mendapat beban lentur. c. Poros Spindle Poros spindle merupakan poros transmisi yang relatif pendek, misalnya pada poros utama mesin perkakas dimana beban utamanya berupa beban puntiran. Selain beban puntiran, poros spindle juga menerima beban lentur (axial load). Poros spindle dapat digunakan secara efektif apabila deformasi yang terjadi pada poros tersebut kecil Hal-Hal Yang Harus Diperhatikan Dalam Merencanakan Poros Ada beberapa hal yang harus diperhatikan dalam merencanakan poros, antara lain : a. Kekuatan Poros Poros transmisi akan menerima beban puntir (twisting moment), beban lentur (bending moment) ataupun gabungan antara beban puntir dan lentur. Dalam perancangan poros perlu memperhatikan beberapa faktor, misalnya: kelelahan, tumbukan dan pengaruh konsentrasi tegangan bila menggunakan poros bertingkat ataupun penggunaan alur pasak pada poros tersebut. Poros yang dirancang tersebut harus cukup aman untuk menahan beban-beban tersebut.

11 b. Kekakuan Poros Poros memiliki kelemahan meskipun poros mempunyai kekuatan yang cukup aman dalam menahan pembebanan tetapi adanya lenturan atau defleksi yang terlalu besar akan mengakibatkan ketidaktelitian (pada mesin perkakas), getaran mesin (vibration) dan suara (noise). Oleh karena itu disamping memperhatikan kekuatan poros, kekakuan poros juga harus diperhatikan dan disesuaikan dengan jenis mesin yang akan ditransmisikan dayanya dengan poros tersebut. c. Putaran Kritis Poros yang dinaikan putaran mesinnya maka akan menimbulkan getaran (vibration) pada mesin tersebut. Batas antara putaran mesin yang mempunyai jumlah putaran normal dengan putaran mesin yang menimbulkan getaran yang tinggi disebut putaran kritis. Hal ini dapat terjadi pada turbin, motor bakar, motor listrik, dll. Selain itu, timbulnya getaran yang tinggi dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagian-bagian lainnya. Jadi dalam perancangan poros perlu mempertimbangkan putaran kerja dari poros tersebut agar lebih rendah dari putaran kritisnya. d. Material Poros Poros yang biasa digunakan untuk putaran tinggi dan beban yang berat pada umumnya dibuat dari baja paduan (alloy steel) dengan proses pengerasan lapisan kulit luar (case hardening) sehingga tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja chrome nikel Persamaan Dalam Merencanakan Poros Pertimbangan-pertimbangan yang digunakan untuk poros menggunakan persamaan sebagai berikut : 1. Torsi T Keterangan: T P N = 60. P 2. π. N = Torsi maksimum yang terjadi (Nm) = Daya motor (Watt) = Kecepatan putaran poros (Rpm) (2.9) 13

12 14 2. Torsi ekuivalen Te = M + T (2.10) Diameter poros: Te = π 16 τ d (2.11) d = Te π 16 τ Keterangan: T e T M = Torsi ekivalen (Nm) = Torsi maksimum yang terjadi (Nm) = Momen maksimum yang terjadi (Nm) τ = Tegangan geser ijin (N/mm 2 ) d = Diameter poros (mm)