PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN CYLINDER BLOCK DAN CRANKCASE MESIN OTTO SATU SILINDER EMPAT LANGKAH BERKAPASITAS 65CC

Transkripsi

1 PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN CYLINDER BLOCK DAN CRANKCASE MESIN OTTO SATU SILINDER EMPAT LANGKAH BERKAPASITAS 65CC Frendy Rian Saputro Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik Universitas Indonesia frendyrian@gmail.com Abstrak Banyak kasus tentang adanya krisis energi global yang sangat serius, kasus tersebut ialah penggunaan bahan bakar fosil yang semakin besar setiap tahunnya. Penggunaan bahan bakar fosil saat ini tidak berbanding lurus dengan besarnya bahan bakar fosil yang ada. Oleh karena itu, pengurangan konsumsi bahan bakar sangat diperlukan sebagai salah satu solusi untuk mengatasi krisis energi global. Semua peneliti selalu berusaha mengembangkan teknologi mesin yang irit bahan bakar dan terciptanya efisiensi dari mesin yang dikembangkan. Pembuatan mesin yang irit bahan bakar dipengaruhi oleh desain, struktur, dan material yang dipergunakan. Cylinder block dan crankcase adalah salah satu dari komponen yang mempengaruhi terciptanya mesin yang irit bahan bakar. Perhitungan dilakukan untuk mendapatkan dimensi dan kekuatan material dari pembuatan cylinder block dan crankcase. Semua desain, struktur dan material sudah memenuhi nilai yang diizinkan. Setelah didapat nilai yang diizinkan, cylinder block dan crankcase diuji kekuatannya dengan menggunakan software.14 untuk memperoleh nilai ekivalen maksimum dan imum dari cylinder block dan crankcase. Dengan membandingkan tegangan luluh material terhadap tegangan ekivalen maksimum dari perhitungan dan simulasi pada software.14 maka, didapatkan titik acuan bahwa sebuah cylinder block dan crankcase aman untuk dipergunakan. Kata kunci : cylinder block, crankcase, tegangan 1. Pendahuluan Manusia tidak dapat dipisahkan dari kebutuhan pentingnya teknologi transportasi pada era modern sekarang ini. Peningkatan sumber daya manusia mempengaruhi semua aspek untuk berfikir bagaimana bisa memajukan teknologi yang ada sekarang ini. Teknologi sistem permesinan berlomba-lomba untuk menciptakan mesin otto yang irit akan bahan bakar dan efisien serta ramah lingkungan. Tanpa disadari bahan bakar fosil sudah menipis cadangannya dan tidak dapat diperbaharui lagi. Dengan adanya kasus seperti ini para peneliti selalu mengembangkan dan mencari cara untuk membuat teknologi mesin otto yang lebih modern. Hal itu pun tidak cukup untuk membuat semuanya berjalan sempurna, pada tahun 1939 di Amerika diadakan sebuah kompetisi kendaraan irit bahan bakar yang dimana kompetisi tersebut adalah kompetisi kendaraan yang menempuh jarak terjauh hanya dengan 1 liter bahan bakar. Terciptanya kendaraan irit bahan bakar ialah dengan memperhitungkan bobot dari kendaraan serta konsep kendaraan yang aoerodinamis. Penekanan kompotesi ini tentunya tidak dari aspek kendaraan saja, tetapi dari segi mesin yang selalu dikembangkan dalam kompetesi ini. Dengan konsep kendaraan seperti ini maka tidak dibutuhkan mesin berkapasitas besar untuk menjalan kendaraan ini. Semua ini yang melatarbelakangi perancangan dan pengembangan mesin otto empat langkah satu silinder berkapasitas 65cc. Mesin otto yang ada dikalangan masyarakat saat ini ialah mesin otto empat langkah dengan kapasitas mesin bervariasi. Mesin otto empat langkah pada umumnya mempunyai konstruksi mesin yang hampir serupa. Desain mesin yang dirancang dan dikembangkan mengadopsi dari mesin motor yang ada saat ini. Desain, konstruksi, dan material sangat berpengaruh untuk mendapatkan mesin yang irit dan effisien. Beberapa komponen mesin yang penting dalam segi konstruksi serta material ialah cylinder block dan crankcase. 2. Metodologi Penelitian Secara garis besar perancangan dan pengembangan cylinder block dan crankcase mesin otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65cc dibagi menjadi dua pokok bahasan, yaitu perhitungan dan simulasi yang berbasis komputasi numerik dengan menggunakan software.14. Pada perhitungan perancangan atau penentuan ukuran dilakukan berdasarkan teori yang ada dan formula yang ditetapkan serta membandingkan kekuatan material yang dipergunakan untuk mendapatkan nilai acuan pada cylinder block dan crankcase mesin otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65cc. 1 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13

2 Gambar 2. Potongan dan foto cylinder block Gambar 1. Mesin Otto Satu Silinder Empat Langkah Berkapasitas 65 cc 2.1 Ketebalan dan Kekuatan Cylinder block Dengan diketahui tekanan maksimum akibat pembakaran (P ) yang didapatkan dari perhitungan termodinamika sebesar 8,72 MPa. Maka bisa didapatkan tebal imum dari cylinder block melalui persamaan... (1) Dengan t m adalah ketebalan cylinder block (mm), adalah tekanan internal dan adalah tensile yield strenght material, n s adalah nilai safety factor. Selanjutnya mencari tinggi flens imum dari cylinder block melalui persamaan...(2) Dengan adalah ketinggian flens dari cylinder block dan adalah diameter dalam dari cylinder block. Selanjutnya mencari panjang flens imum cylinder block melalui persamaan...(3) Dengan adalah panjang flens pada cylinder block dan adalah diameter luar dari cylinder block. Setelah perhitungan desain didapat, selanjutnya menghitung kekuatan material dengan perhitungan dan simulasi pada software.14, serta membandingkan hasil kekuatan materialnya. Hal ini digunakan untuk mengetahui bahwa material tersebut tidak melewati batas tensile yield strenght yang sudah ditetapkan oleh standar yang ada, dan aman untuk diaplikasikan dalam pembuatan mesin irit bahan bakar. Cylinder block terdiri dari dua komponen yaitu silinder liner yang menggunakan material steel 43 dan block yang menggunakan material alumunium 661. Liner Block Tabel 1. Data Material Cylinder block Komponen Material Steel 43 Aluu m 661 Tensile Yield Strenght (MPa) Sebelum mendapatkan von mises stress ada tahapan pengerjaan untuk mendapatkan hoop stress, longitudinal stress, dan radial stress di inner dan outer surface. Inner surface melalui persamaan ( )...(4) ( )...(5) Safety factor 71 1, ,95 σ r = - P i...(6) Dimana ialah tegangan tangensial, ialah tegangan aksial, dan ialah tegangan radial. adalah tekanan internal pada ruang bakar, adalah jari jari luar silinder, dan adalah jari jari Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13 2

3 dalam silinder. Selanjutnya untuk outer surface melalui persamaan...(7) Dengan t m adalah ketebalan cylinder block (mm), adalah tekanan internal dan adalah tensile yield strenght material, n s adalah nilai safety factor. ( )...(8) σ r =..(9) Dimana ialah tegangan tangensial, ialah tegangan aksial, dan ialah tegangan radial. adalah tekanan internal pada ruang bakar, adalah jari jari luar silinder, dan adalah jari jari dalam silinder. Selanjutnya perhitungan von mises stress crankcase didapat melaui persamaan...(1) Dimana ialah von mises stress, ialah tegangan tangensial, ialah tegangan aksial, dan ialah tegangan radial. Untuk perhitungan von mises stress triaxial, ketiga tegangan ini sangat diperlukan untuk mendapatkan hasil yang akurat dan bisa dipercaya. Setelah mendapatkan hasil von mises stress dilakukan koreksi dengan material sebenarnya untuk memprediksi nilai kegagalan yang terjadi, apakah komponen steel 43 dan alumunium 661 aman untuk digunakan dalam pembuatan mesin irit bahan bakar. Dengan ini bisa didapatkan nilai prediksi kegagalan dari von mises stress dengan melalui persamaan...(11) Dimana adalah von mises stress, adalah tensile yield strenght dari material, dan adalah nilai safety factor yang di tentukan. 2.2 Ketebalan dan Kekuatan Crankcase Dengan diketahui gaya (F) yang terjadi pada crankshaft dengan nilai besarnya gaya (F) 4631,4 N, maka bisa didapatkan ketebalan imum pada crankcase terutama pada rumah bearing yang menjadi tumpuan crankshaft pada saat mesin bekerja. Ketebalan imum ini dapat diperoleh mealui persamaan...(12) Gambar 3. CAD dan foto crankcase Setelah perhitungan untuk menentukan tebal imum crankcase pada rumah bearing didapat, selanjutnya perhitungan untuk menentukan kekuatan material dari crankcase dilakukan dengan perhitungan anlitik dan simulasi pada software.14. Hal ini dilakukan untuk memastikan bahwa material yang digunakan untuk crankcase tidak melebihi dari kekuatan material dan aman untuk diaplikasikan dalam pembuatan mesin irit bahan bakar. Crankcase terdiri dari dua komponen yaitu silinder liner yang menggunakan material steel 43 dan block yang menggunakan material alumunium 661. Tabel 2. Data Material Crankcase Komponen Material Sebelum mendapatkan von mises, ada beberapa tahapan dalam pengerjaan yang dimana harus mendapatkan gaya (F) perbagian melalui persamaan...(13) Tensile Yield Strenght (MPa) Safety factor Liner Steel ,6 Block Aluum ,6 3 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13

4 Dimana ialah gaya perbagian dari rumah bearing crankcase, F adalah gaya internal yang ada di crankshaft dan A adalah keliling dari lingkaran. Selanjutnya mencari tegangan perbagian atau persudut dai sampai 18 melalui persamaan σ...(14) σ...(15) Dimana F adalah gaya internal yang ada di crankshaft, adalah sudut perbagian dari tensile stress dan adalah shear stress, selanjutnya maksimum dan imum principle stress didapat melalui persamaan...(16)...(17) Dimana adalah maksimum principle stress adalah imum principle stress, dan adalah tensile stress, τ 1 dan τ 2 adalah shear stress. Perhitungan von mises stress crankcase didapat melalui persamaan...(18) Dimana ialah von mises stress, ialah tegangan tangensial, ialah tegangan aksial, dan ialah tegangan radial. Untuk perhitungan von mises stress triaxial, ketiga tegangan ini sangat diperlukan untuk mendapatkan hasil yang akurat dan bisa dipercaya. Selanjutnya menentukan prediksi kegagalan pada von mises stress silinder liner...(19) Dimana adalah von mises stress, adalah tensile yield strengt dari material, dan adalah nilai safety factor yang di tentukan. 3. Hasil dan Analisa Setelah mengetahui bebrapa persamaan yang digunakan untuk mendapatkan dimensi dan kekuatan von mises stress maka diperoleh hasil berikut 3.1 Blok Cylinder Ketebalan imum cylinder block (t) dibagi menjadi 2 komponen, yaitu silinder liner dan block diperoleh dengan menggunakan persamaan (1) yaitu besarnya bernilai,4 mm untuk silinder liner dengan material steel 43 dan 1,2 mm untuk block dengan material alumunium 661. Dengan ketebalan silinder liner,4 mm dan block 1,2 mm dapat menahan tekanan sebesar 8,72 MPa, tanpa memasukan faktor gesekan dan panas dalam ruang bakar. Maka ketebalan yang di desain untuk silinder liner adalah 3mm dan block adalah 4mm, Selanjutnya dengan ketebalan silinder liner 3 mm untuk perhitungan didapatkan hasil von mises stress maksimum 55,47 MPa dan imum,9 MPa. Simulasi melalui software.14 didapatkan von mises stress maksimum 61,41 MPa dan imum 3,31 MPa. Serta nilai prediksi kegagalan silinder liner yang diselesaikan dari persamaan (11) yang bernilai 55,47 MPa 232,2 MPa dengan material steel 43 yang digunakan untuk pembuatan komponen silinder liner bisa dikatakan aman. Berikut hasil berupa grafik dan simulasi serta perbandingan antara perhitungan dan simulasi melalui software.14. Von Mises stress ( MPa ) Von Mises Stress ( MPa ) ,47,9 Gambar 4. Von mises stress Tegangan liner Tegangan liner 61,41 3,31 Gambar 5. Von mises stress.14 4 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13

5 Von Mises Stress( MPa ) ,47 Variasi Tegangan liner 61,41,9 3,31 Gambar 6. Perhitungan vs.14 antara perhitungan dan simulasi melalui software.14. Von Mises stress ( MPa ) Tegangan block 5,16 35,39 Gambar 7. Von mises stress Gambar 7. Hasil simulasi.14 Von Mises stress ( MPa ) 8 6 Tegangan block 57,34 3,56 Dengan ketebalan imum blok 1,2 mm yang diselesaikan dari persamaan (1) dapat menahan tekanan sebesar 8,72 MPa, tanpa memasukan faktor panas dalam ruang bakar. Maka ketebalan yang didesain untuk block adalah 4mm, Selanjutnya dengan ketebalan block 4mm untuk perhitungan yang diselesaikan dari persamaan (1) didapatkan hasil von mises stress maksimum 5,16 MPa dan imum 35,39 MPa. Simulasi melalui software.14 didapatkan von mises stress maksimum 57,34 MPa dan imum 3,56 MPa. Serta nilai prediksi kegagalan block yang diselesaikan dari persamaan (11) yang bernilai dengan material aluum 661 yang digunakan untuk pembuatan komponen block bisa dikatakan aman. Berikut hasil data berupa grafik dan simulasi serta perbandingan Gambar 8. Von mises stress.14 Von Mises stress ( MPa ) Variasi Tegangan block 57,34 5,16 35,39 3,56 Gambar 9. Perhitungan vs.14 5 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13

6 Gambar 1. Hasil simulasi.14 Dimana kedua komponen di atas sudah mempunyai von mises stress masing-masing yang nantinya kedua komponen tersebut akan digabung menjadi satu bagian komponen pada mesin irit bahan bakar. Dan ketika komponen ini menjadi satu maka didapatkan nilai von mises untuk perhitungan dan simulasi pada software.14, yang dimana besarnya nilai pada perhitungan untuk nilai maksimum 62,26 MPa dan imum 29,28 MPa. Dalam simulasi software.14 didapatkan nilai maksimum 65,95 MPa dan imum 1,74 MPa. Von Mises Stress ( MPa ) Variasi Tegangan Block Cylinder ,26 65,95 29,28 1,74 Gambar 13. Perhitungan vs.14 Gambar 1. Hasil simulasi Crankcase Ketebalan imum crankcase (t) dibagi menjadi 2 komponen, yaitu liner bearing dan crankcase diperoleh dengan menggunakan persamaan (12) yaitu besarnya bernilai,19 mm untuk liner bearing dengan material steel 43 dan,92 mm untuk crankcase bearing dengan material alumunium 661. Dengan ketebalan rumah bearing,33 mm dan crankcase,92 mm dapat menahan gaya (F) sebesar 4361,4 N, tanpa memasukan faktor gesekan dan gaya rotasi pada bearing. Maka ketebalan yang didesain untuk liner bearing adalah 2 mm dan crankcase adalah 5mm, Selanjutnya dengan ketebalan rumah bearing 2 mm dan crankcase bearing 5 mm untuk perhitungan didapatkan hasil von mises stress maksimum 46,24 MPa dan imum 23,12 MPa. Pada simulasi software.14 didapatkan hasil von mises stress maksimum 61,36 MPa dan imum 3,26 MPa. Berikut hasil data berupa grafik dan simulasi serta perbandingan antara perhitungan dan simulasi.14 Von Mises Stress ( MPa ) 8 6 Tegangan Crankcase 61,36 3, Gambar 11. Von mises stress.14 6 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13

7 Von Mises Stress ( MPa ) Gambar 12. Von mises stress perhitungan Von Mises Stress( MPa ) Tegangan Crankcase 46,24 23,12 Variasi Tegangan Crankcase 46,24 64,71 23,12 13,52 Gambar 13. Perhitungan Analitik vs.14 Gambar 14. Simulasi.14 Perhitungan Analitik Kesimpulan Diperoleh hasil dimensi ketebalan imum setiap komponen dari cylinder block dan crankcase untuk perhitungan yang diselesaikan dari persamaan (1) dan (11), dengan besarnya nilai sebagai berikut: Ketebalan cylinder liner =,4 mm Ketebalan block = 1,2 mm Ketebalan rumah bearing steel =,19 mm Ketebalan crankcase bearing =,92 mm serta didapatkan von mises stress dari perhitungan yang diselesaikan dari persamaan (1), dan (17) juga didapatkan von mises stress pada simulasi software.14 yang masing-masing komponen mempunyai besarnya nilai sebagai berikut: Perhitungan untuk nilai maksimum dan imum Cylinder liner = 55,47 MPa -,9 MPa Block = 5,16 Mpa - 35,39 MPa Cylinder Block = 62,26 MPa - 29,28 MPa Crankcase = 46,24 MPa - 23,12 Mpa Simulasi pada software.14 untuk nilai maksimum dan imum Cylinder liner = 61,41 Mpa - 3,31 MPa Block = 57, MPa - 3,36 MPa Cylinder Block = 65,95 MPa - 1,74 MPa Crankcase = 64,71 MPa - 13,52 MPa Dimana pada perhitungan dan simulasi di software.14 memiliki perbedaan pada nilai maksimum dan imum. Ini dikarenakan pada perhitungan hanya memakai persamaan yang memang sudah disederhanakan agar mudah mengolah data dalam mendapatkan hasil angka yang diinginkan. Namun dalam software.14 memiliki nilai maksimum dan imum yang memang sangat akurat, dimana nilai maksimumnya melebihi nilai maksimum pada perhitungan dan nilai imumnya juga melebihi nilai imum pada perhitungan. Selanjutnya untuk menentukan kekuatan material digunakan von mises stress, karena von mises stress lebih sangat menja nilai maksimum yang tinggi dan nilai imum yang lebih rendah untuk kategori material yang ductile. Dan dalam hal ini von mises stress lebih bisa sangat dipercaya untuk menja nilai keamanan dari material. Jadi, semua material yang dipergunakan untuk pembuatan mesin irit bahan bakar, dari material steel 43 dan alumunium 661 dikatakan aman untuk besarnya tekanan (P), gaya (F), dan 7 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13

8 tegangan (σ) yang sudah diketahui dan yang sudah dicari dengan persamaan melalui persamaan - persamaan di atas. 5. Referensi Petrovsky, M. (1973). Marine Internal Combustion Engine. Moscow: MIR Publisher. R. S. Khurmi dan J. K. Gupta. (5). A Text Book of Machine Design. India: Eurasia Publishing House. Hamrock, Bernard J (1999). Fundamentals of Machine Elements. United Stated: McGraw-Hill companies. 8 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 13