Analisa Kekuatan Crankshaft Dua Silinder Kapasitas 650CC dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No., (01) ISSN: Analisa Kekuatan Crankshaft Dua Silinder Kapasitas 650CC dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga Yosa Desika Wijaya dan Yohannes Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia yunus@me.its.ac.id Abstrak Crankshaft adalah bagian dari engine yang mengkonversi gerak linear piston atau reciprocating motion menjadi gerak rotasi. Crankshaft menerima beban yang berat selama beroperasi. Fungsi crankshaft sangat penting sebagai penerus gaya bolak-balik piston menjadi gaya rotasi. Fungsi crankshaft yang sangat krusial ini menjadikan analisa kekuatan crankhshaft menjadi hal yang sangat perlu dilakukan. Penelitian ini dilakukan dengan membandingkan distribusi tegangan yang terjadi akibat pembebanan dengan menggunakan metode elemen hingga, terhadap dua tingkat kecepatan crankshaft yaitu 3800 RPM (saat torsi maksimum) dan 4500 RPM (saat daya maksimum). Kemudian dilanjutkan analisa kegagalan statis berdasarkan distribusi tegangan tersebut. Hasil penelitian menunjukkan tegangan von-misses dan tegangan geser terbesar terjadi pada tingkat kecepatan 3800 RPM dengan nilai masing-masing sebesar MPa dan 95.7 MPa. Berdasarkan hasil analisa kegagalan statis, material crankshaft tipe G 550 / FCD 450 (JIS Standard) dinyatakan aman terhadap tegangan von-misses maupun tegangan geser. Berdasarkan metode Sodeberg, crankshaft juga aman terhadap beban fatigue dikarenakan nilai σ m, σ a, τ m, dan τ a berada di area bawah garis aman tegangan. Kata Kunci crankshaft, firing order, metode elemen hingga, analisa kegagalan statis. I. PENDAHULUAN RANKSHAFT menerima beban yang bervariasi ketika C berotasi. Variasi beban yang diterima crankshaft didasarkan pada tekanan pembakaran yang diterima piston. Ada dua macam beban yang bekerja pada crankshaft, yaitu beban radial dan beban tangensial. Beban radial terjadi sebagai akibat dari crankshaft yang ditumpu di masingmasing bagian ujungnya, sementara bagian tengah crankshaft dikenai gaya-gaya inertia piston dan connecting rod. Sedangkan beban tangensial dapat menimbulkan getaran yang disebut sebagai torsional vibration. Getaran tersebut merusak crankshaft. Bahkan tidak hanya akan merusak crankshaft tapi merusak komponen-komponen lain, seperti flywheel, gear, dan belt. Getaran tersebut sangat membahayakan terutama ketika frekuensi natural crankshaft sama atau match dengan frekuensi resonansi crankshaft. Analisa kekuatan crankshaft dilakukan dengan cara numerik. Dan metode numerik yang dipakai adalah metode elemen hingga (finite element method). Metode elemen hingga adalah metode numerik yang berfungsi membagi objek analisa menjadi sejumlah bagian (finite). Bagianbagian ini disebut element. Setiap elemen dihubungkan dengan elemen yang lain melalui node. Setiap elemen yang memiliki sejumlah node tersebut mempunyai sejumlah persamaan matematis yang diselesaikan secara numeris. Namun dalam penelitian ini digunakan suatu software finite element untuk mempermudah penelitian. Penelitian mengenai kekuatan crankshaft dengan menggunakan metode elemen hingga telah banyak dilakukan oleh peneliti lain. Jai Brahmbhatt dan Abhishek Choubey [] melakukan penelitian crankshaft satu silinder untuk mesin diesel 4-langkah. Dan membandingkan hasil teoritis dengan hasil simulasi metode elemen hingga serta melakukan optimasi dan analisa fatigue pada crankshaft. Mo Muhammad Zia Muhammad Idris [6] melakukan penelitian kekuatan crankshaft satu silinder dengan mengikutsertakan efek dinamik dalam analisanya. Kemudian melakukan modifikasi desain dengan mereduksi massa crankshaft yang dianalisa. Montazersadgh dan Fatemi [7] melakukan penelitian kekuatan crankshaft satu silinder terhadap beban dan tegangan dinamis. Montazersadgh dan Fatemi juga membandingkan hasil simulasi metode elemen hingga dengan hasil eksperimen. Sedangkan dalam penelitian ini, penulis melakukan analisa kekuatan crakshaft untuk engine dua silinder dengan menggunakan metode elemen hingga. Kemudian dilanjutkan dengan melakukan analisa kegagalan statis dan analisa fatigue terhadap crakshaft tersebut. Engine -silinder yang akan diteliti memiliki siklus pembakaran yang berbeda. Pada saat silinder 1 melakukan langkah pembakaran, maka di waktu yang sama silinder melakukan langkah pembuangan. Begitu pula sebaliknya. Berdasarkan kondisi firing order tersebut crankshaft menerima kondisi pembebanan yang berbeda dari silinder 1 dan di setiap sudut putarannya. Tujuan yang ingin dicapai oleh penulis adalah mengetahui nilai dan letak tegangan maksimum yang diterima crankshaft yang memiliki sistem firing order berbeda terhadap dua tingkat kecepatan yaitu 3800 rpm dan 4500 rpm dengan menggunakan metode elemen hingga. Kemudian dilanjutkan dengan melakukan analisa kegagalan statis berdasarkan nilai tegangan tersebut. Analisa kekuatan crankhshaft dalam penelitian ini dilakukan hanya sebatas pada kondisi pembebanan statis. Artinya adalah bahwa beban yang diterima oleh crankhsaft, yang merupakan gaya F fungsi waktu t, dimana t dianggap cukup lambat sehingga gaya-gaya inertia oleh piston dan connecting rod serta faktor-faktor dinamis yang lain dapat diabaikan. Pembebanan seperti ini sering disebut sebagai Quasy Static Loading. Ini menjadi hal yang sangat perlu diperhatikan oleh penulis karena pada kondisi aktual crankshaft menerima beban yang sifatnya fluktuatif atau

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No., (01) ISSN: dinamis. Kemudian data tekanan gas fungsi sudut crankshaft yang didapat penulis dianggap tekanan gas yang paling efisien untuk engine speed 3800 RPM dan 4500 RPM. Ini perlu untuk diketahui karena pada kondisi yang sebenarnya tekanan gas didalam silinder berubah-ubah untuk engine speed yang berbeda. II. PEMODELAN CRANKSHAFT A. Pemodelan Crankshaft Pemodelan crankshaft mencakup bahasan mengenai dimensi dan mechanical properties. Gambar 1 adalah model crankshaft yang sudah dibuat dan akan dianalisa. Berdasarkan gambar tersebut, desain crankshaft memang dibuat untuk spesifikasi engine yang mendukung dua silinder. Rujukan [10] memberikan data mechanical properties crankshaft yang dapat dilihat pada Tabel 1. hampir nol sedangkan pada silinder tekanan gas maksimum. Ini karena pada posisi sudut tersebut silinder 1 melakukan langkah hisap dan disaat yang sama silinder melakukan langkah kompresi yang kemudian terjadi proses pembakaran sehingga tekanan gas maksimum. Urutan siklus dalam sistem internal combustion engine adalah 0 o -180 o adalah langkah hisap, 180 o -360 o adalah langkah kompresi, 360 o -540 o adalah langkah ekspansi, 540 o - 70 o adalah langkah buang. Jadi crankshaft membutuhkan dua kali rotasi untuk menyelesaikan satu siklus. C. Beban yang diterima Crankshaft Gambar. 1. Model Crankshaft Tabel 1. Data Mechanical Properties Crankshaft. Jenis Material Spheroidal Graphite Iron Casting Tipe Material FCD 450 / G 550 (JIS Standard) Tensile Strength 450 MPa Yield Strength 80 MPa Elongation (%) Hardness Matrix Structure Ferrite B. Tekanan Gas Gambar 3. Hubungan geometri connecting rod dengan crankshaft [1]. Gambar 3 m enjelaskan hubungan geometri dngan connecting rod. Rujukan [1] menjelaskan connecting rod ratio (λ) dapat ditulis seperti yang ditunjukkan oleh persamaan (1). Persamaan (1) menjelaskan bahwa λ adalah rasio antara radius crankshaft (r) dan panjang connecting rod(l). r λ = (1) l Gambar. Grafik tekanan gas silinder 1 dan silinder vs sudut crankshaft Pada sudut crankshaft yang sama, langkah kerja di masing-masing silinder tidak sama. Sebagai contoh, saat sudut crankshaft pada posisi 0 o, tekanan gas di silinder 1 Gambar 4. Vektor gaya F K [1]. Rujukan [1] menjelaskan bahwa sudut yang dibentuk antara connecting rod dengan sumbu vertikal crankshaft dapat ditulis sesuai persamaan ().

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No., (01) ISSN: ψ = λ sinϕ () 1 λ sin ϕ dimana φ adalah sudut crankshaft. Persamaan gaya gas dan luas permukaan piston dimana gaya tersebut bekerja dapat ditulis sebagai berikut. Persamaan (3) dan (4) adalah sesuai dengan yang dijelaskan pada [1]. A π k = 4 d (3) F gas = P( ϕ ) Ak (4) dimana P(φ) adalah tekanan gas pada sudut crankshaft (φ) dan d adalah diameter permukaan kepala piston. F k = Fgas + Fpiston + Fconrod (5) Fpiston = m piston r ω ( cosϕ + λ cos ϕ ) (6) Fconrod = mconrod r ω ( cosϕ + λ cos ϕ ) (7) Gambar 4 menunjukkan arah kerja gaya F k. yang bekerja pada pin piston. Rujukan [1] menjelaskan bahwa gaya F k dipengaruhi oleh gaya inertia piston (F piston ) dan gaya inertia connecting rod (F conrod ) yang ketiga persamaannya sesuai dengan persamaan (5), (6), dan (7). ditunjukkan oleh gambar 4. Rumus F T dan F R pada persamaan (8) dan (9) didapat dari penjelasan oleh [1]. Secara keseluruhan gaya F T dan F R dapat di-plot pada sebuah grafik gaya F fungsi sudut crankshaft (φ) seperti yang dapat dilihat pada Gambar 6. Dan nilai-nilai gaya tersebut akan digunakan sebagai data input dalam simulasi finite element. D. Meshing Meshing yang digunakan dalam penelitian ini adalah meshing doant tetrahedral. Bentuk meshing tetrahedral adalah segitiga. Keuntungan menggunakan meshing tetrahedral adalah akurasi kontrol meshing sangat bagus untuk suatu kontur benda 3D yang sangat rumit. Untuk metode meshing yang telah dilakukan terhadap crankshaft, didapat jumlah elemen sebanyak 1038 dan node sebanyak Gambar 7 menunjukkan model crankshaft dalam bentuk elemen hingga. Gambar 7. Teknik meshing dalam solusi numerik metode elemen hingga. E. Pembebanan dalam Simulasi Finite Element Gambar 5. Vektor gaya tangensial dan radial [1]. ( ϕ + ψ ) sin F T = FST sin( ϕ + ψ ) = Fk (8) cosψ ( ϕ + ψ ) cos F R = FST cos( ϕ + ψ ) = Fk (9) cosψ Gambar 8. Bearing Load yang diterapkan pada crankshaft : (a) pandangan isometrik, (b) pandangan depan. Gambar 6. Gaya tangensial dan radial untuk engine speed 3800 RPM. Gambar 5. menjelaskan arah gaya tangensial (F T ) dan gaya radial (F R ) pada crankshaft dari terusan gaya F ST yang Jenis support (tumpuan) dan jenis beban yang diterapkan pada crankshaft dalam simulasi finite element pada penelitian ini adalah cylindrical support dan bearing load. Rujukan [5] menjelaskan bahwa cylindrical support dan bearing load digunakan untuk area dengan permukaan yang silindris.gambar 8 menunjukkan Bearing load 1 adalah beban yang diterima crankshaft dari silinder 1. Bearing load adalah beban yang diterima crankshaft dari silinder. F. Pengambilan Data Gambar 9 menunjukkan letak titik-titik tegangan pada crankshaft yang akan diamati oleh penulis. Setiap kali simulasi berakhir, keenam titik tersebut akan dicatat nilai tegangannya untuk kemudian di-plot pada grafik tegangan

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No., (01) ISSN: (σ) fungsi sudut crankshaft (φ).cara pengambilan data tegangan crankshaft sangat sederhana yaitu dengan melakukan zoog pada titik yang ingin diamati. Zoom dilakukan berkali-kali hingga titik meshing yang ingin diketahui nilai tegangannya sudah jelas terlihat.setelah itu digunakanlah fitur Probe. Probe berguna untuk mengetahui nilai atau hasil suatu simulasi pada sebuah titik yang terdapat pada sebuah bodi, permukaan, vertex, atau edge. Gambar 9. Letak titik-titik pengamatan pada crankshaft. III. HASIL DAN DISKUSI A. Komparasi Tegangan von-misses Gambar 10. Grafik distribusi tegangan Von-Misses untuk setiap titik pengamatan pada tingkat kecepatan 3800 RPM Gambar 11. Komparasi nilai tegangan von-misses di tiap titik pengamatan saat crankshaft pada siklus pembakaran. Ketika sudut crankshaft untuk silinder 1 berada pada posisi 360 o maka sudut crankshaft untuk silinder a dalah 70 o. Kondisi tersebut mengartikan bahwa ketika silinder 1 melakukan langkah kerja pembakaran maka silinder melakukan langkah buang. Gambar 10 adalah distribusi tegangan von-misses di setiap titik pengamatan saat engine speed 3800 RPM. Sedangkan Gambar 11 adalah perbandingan nilai tegangan di tiap titik pengamatan saat siklus pembakaran terjadi. Langkah pembakaran membuat crankshaft mengalami tegangan von-misses paling besar untuk setiap tingkat kecepatan. Sehingga tegangan-tegangan yang terakumulasi disetiap titik pengamatan pada siklus pembakaran ini perlu diberikan perhatian lebih. Gambar 11 adalah grafik tegangan yang terjadi di setiap titik pada siklus pembakaran. Pada grafik tersebut tegangan Von-Misses pada tingkat kecepatan 3800 RPM adalah paling tinggi dibandingkan dengan tegangan pada tingkat kecepatan yang lain di semua titik pengamatan. Titik pengamatan memiliki nilai tegangan terbesar di semua tingkat kecepatan dibandingkan dengan titik pengamatan yang lain. B. Analisa Kegagalan Statis Berdasarkan analisa kegagalan DET (Distortion Energy Maximum), crankshaft dikatakan aman apabila mengikuti persamaan (10). S y σ vm SF (10) Sedangkan berdasarkan analisa kegagalan MSST (Maximum Shear Stress Theory), crankshaft dikatakan aman apabila mengikuti persamaan (11). S ys τ max (11) SF Persamaan (10) dan (11) didapat dari perjelasan oleh []. Dan dari hasil simulasi yang telah dilakukan, semua nilai σ vm dan τ max untuk berbagai posisi sudut crankshaft sudah diketahui. Nilai-nilai tegangan tersebut disubstitusi ke persamaan (10) dan (11), sehingga didapat nilai SF (safety factor) yang paling maksimum. SF oleh [3] dinotasikan dengan N seperti yang terlihat pada Gambar 1. Dari hasil perhitungan didapat nilai SF kurang dari atau sama dengan.71. Analisa fatigue yang dilakukan adalah berdasarkan metode Sodeberg. Analisa fatigue terbagi menjadi dua yaitu fatigue oleh tegangan von-misses dan fatigue karena tegangan geser. Dua parameter penting dalam analisa fatigue adalah tegangan rata-rata (σ m )dan tegangan amplitudo atau rangestress (σ a ) [3]. Dimana berdasarkan penjelasan oleh [3], persamaan nilai tegangan rata-rata dan amplitudo berturut-turut dapat ditulis sebagai berikut. σ max + σ σ m = (1) σ max σ σ a = (13) τ max + τ τ m = (14) τ max τ τ a = (15)

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No., (01) ISSN: Dari hasil simulasi finite element yang telah dilakukan didapatkan nilai tegangan maksimum (σ max, τ max ) dan nilai tegangan imum (σ, τ ). Nilai tersebut disubstitusikan ke persamaan (1), (13), (14), dan (15) untuk menghitung tegangan rata-rata dan tegangan amplitudo. Kemudian nilai tegangan rata-rata dan tegangan amplitudo tersebut di-plot pada grafik Sodeberg seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Rujukan [3] menjelaskan gambar 1 dimana material benda kerja dikatakan aman apabila resultan tegangan yang dibentuk oleh komponen tegangan σ m dan σ a masih berada didalam area safe stress line. Gambar 13. Hasil Plot Data Grafik Sodeberg untuk tegangan von- Misses. Gambar 14. Hasil Plot Data Grafik Sodeberg untuk tegangan geser. Gambar 13 dan 14 adalah hasil dari plot data σ m, σ a, τ m, dan τ a ke grafik Sodeberg yang ditunjukkan oleh Gambar 1. Kedua gambar tersebut berskala 1:1 (1 mm = 1 MPa). C. Contoh Salah Satu Hasil Simulasi silinder 1 0 o dan sudut crankshaft silinder 360 o (ω = 3800 RPM). IV. KESIMPULAN Dengan melakukan analisa kekuatan crankshaft dengan menggunakan metode elemen hingga didapatkan kesimpulan sebagai berikut. 1. Tegangan von-misses maksimum yang diterima crankshaft adalah sebesar MPa dan terjadi saat torsi maksimum atau pada tingkat kecepatan 3800 RPM.. Tegangan geser maksimum yang diterima crankshaft adalah sebesar 95.7 MPa dan terjadi saat torsi maksimum atau pada tingkat kecepatan 3800 RPM. 3. Titik pengamatan m enerima tegangan von-misses maupun tegangan geser paling besar jika dibandingkan dengan lima titik pengamatan yang lain. 4. Dengan S y = 80 MPa dan S ys = 10 MPa, crankshaft dinyatakan aman terhadap beban tegangan von-misses maupun beban tegangan geser. 5. Crankshaft aman terhadap beban fatigue oleh tegangan von-misses dengan nilai σ m dan σ a adalah MPa dan MPa yang masih berada dalam safe stress line area. 6. Crankshaft aman terhadap beban fatigue oleh tegangan geser dengan nilai τ m dan τ a adalah MPa dan MPa yang masih berada dalam safe stress line area. DAFTAR PUSTAKA [1] Basshuysen, v.r., dan Schafer, F Internal Combustion Engine Handbook. Basic, Components, Sistems, and Perspectives. United State of America : SAE International [] Brahmbhatt Jai, Choubey Abhishek., 01. Design and Analysis of Crankshaft for Single Cylinder 4-Stroke Diesel Engine. International Journal of Advanced Engineering Research and Studies. E-ISSN [3] Deutschman D.A., Michels J.W., dan Wilson E.C Machine Design Theory and Practice. New York : Macmillan Publishing Co., Inc. [4] Hibbeler, R.C Mechanics of Materials 9th Edition. Prentice Hall International, Inc., ISBN: , 879pp. [5] Huang-Lee, Huei Finite Element Simulation with Ansys Workbench 1. Schroff Development Co. ISBN [6] Idris Muhammad Zia Muhammad Mo Crankshaft Strength Analysis Using Finite Element Method. International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). ISSN: [7] Montazersadgh Farzin. H. dan Fatemi Ali Dynamic Load and Stress Analysis of a Crankshaft. SAE International : [8] Shigley, J.E., Mischke, C.R Mechanical Engineering Design, 5th edition. McGraw Hill. ISBN [9] Stolarski, T.A., Nakasone, Y., dan Yoshimoto, S Engineering Analysis with Ansys Software. Cornwall : MPG Books Ltd. [10] Vinogradov, Oleg Fundamentals of Kinematics and Dynamic of Machines and Mechanisms. Florida : CRC Press. [11] Zienkiewwicz O.C. dan Taylor R.L The Finite Element Method Fifth Edition. Volume 1: The Basis. Butterworth-Heinemann., ISBN: [1] Thai Thavorn Casting Lathe Co. Ltd., July Knowledge of Casting - Compare Standard, <URL: Gambar 15. Distribusi tegangan von-misses saat sudut crankshaft