UNIVERSITAS DIPONEGORO ANALISA DINAMIK CONNECTING ROD MOTOR 4 LANGKAH MULTI-SILINDER IN-LINE DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI MATLAB-SIMMECHANIC

Transkripsi

1 UNIVERSITAS DIPONEGORO ANALISA DINAMIK CONNECTING ROD MOTOR 4 LANGKAH MULTI-SILINDER IN-LINE DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI MATLAB-SIMMECHANIC TUGAS AKHIR PANJI SASONGKO JATI L2E FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN SEMARANG SEPTEMBER 2012

2 TUGAS SARJANA Diberikan kepada : Nama : Panji Sasongko Jati NIM : L2E Pembimbing I : Dr. Achmad Widodo, ST, MT Pembimbing II : Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT Jangka Waktu : 7 (tujuh) bulan Judul : Analisa Dinamik Connecting Rod Motor 4 Langkah Multi- Silinder In-Line dengan Menggunakan Simulasi Matlab- Simmechanic Isi Tugas : 1. Memodelkan mekanisme slider crank multi-silinder in-line ke dalam blok Matlab-Simmechanic. 2. Menganalisa kinematika dan kinetika mekanisme slider crank multi-silinder in-line dengan menggunakan Matlab- Simmechanic. Dosen Pembimbing I, Dosen Pembimbing II, Dr. Achmad Widodo, ST, MT Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT NIP NIP ii

3 HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS Skripsi/Tesis/Disertasi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk telah saya nyatakan dengan benar. NAMA : Panji Sasongko Jati NIM : L2E Tanda Tangan : Tanggal : September 2012 iii

4 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi ini diajukan oleh : NAMA : Panji Sasongko Jati NIM : L2E Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin / S-1 Judul Skripsi : Analisa Dinamik Connecting Rod Motor 4 Langkah Multi- Silinder In-Line dengan Menggunakan Simulasi Matlab- Simmechanic Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. TIM PENGUJI Pembimbing I : Dr. Achmad Widodo, ST, MT ( ) Pembimbing II : Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT ( ) Penguji : Ir. Bambang Yunianto, MSc ( ) Penguji : Dr. Jamari, ST, MT ( ) iv

5 HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Panji Sasongko Jati NIM : L2E Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin Fakultas : Teknik Jenis Karya : Tugas Akhir demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul: ANALISA DINAMIK CONNECTING ROD MOTOR 4 LANGKAH MULTI-SILINDER IN-LINE DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI MATLAB-SIMMECHANIC beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di : Semarang Pada Tanggal : September 2012 Yang menyatakan (Panji Sasongko Jati) v

6 HALAMAN PERSEMBAHAN Tugas Sarjana ini sebagai rasa syukur Penulis dan dipersembahkan untuk: Bapak, Ibu, Adik dan keluarga besar tercinta yang selalu memberikan do a dan dukungan baik moril maupun material, terima kasih. Teman-teman Teknik Mesin UNDIP angkatan 2007 sebagai motivator, inspirator, dan kompetitor. Teman-teman KKN khususnya Desa Mantingan, Kec. Tahunan, Jepara, terima kasih atas support yang diberikan. vi

7 ABSTRAK Connecting rod merupakan komponen pada mekanisme slider crank yang bekerja sangat aktif akibat gerak putar crankshaft dan gerak translasi piston. Sehingga gaya yang diterima komponen ini cukup besar untuk menyebabkan kegagalan jika connecting rod digunakan pada kecepatan rotasi tinggi. Mesin yang memiliki banyak silinder dapat menghasilkan kecepatan rotasi yang tinggi. Maka diperlukan penelitian mengenai fenomena dinamika khususnya fenomena kinematika dan kinetika untuk mengetahui pengaruh kecepatan rotasi mesin terhadap gaya yang bekerja pada connecting rod pada mesin multi-silinder segaris 4 langkah. Fenomena kinematika dan kinetika connecting rod ini dianalisa menggunakan software Matlab-Simmechanic. Input yang digunakan adalah kecepatan rotasi mesin yang diukur pada crankshaft. Output yang akan dianalisa adalah kecepatan dan percepatan angular (kinematika), gaya yang bekerja pada connecting rod (kinetika), dan torsi saat mekanime slider-crank bekerja. Analisa dilakukan dengan mengelompokkan silinder sesuai keserupaan fasenya. Hasilnya, semakin tinggi kecepatan rotasi mesin, makin besar pula kecepatan dan percepatan angular, torsi mekanisme slider-crank, dan gaya yang bekerja pada connecting rod. Kata kunci : connecting rod, slider-crank, kinematika, kinetika, simmechanic vii

8 ABSTRACT Connecting rod is the most active component in slider crank mechanism, due to rotational motion of crankshaft and translation motion of piston. So, the force that acting in this component is huge enough to cause a fatigue, if the connecting rod being used in a high engine rotational speed. An engine that have many cylinder can produce a high engine rotational speed. Research about dynamic phenomenon specially kinematic and kinetic phenomenon is needed to know the effect of engine rotational speed compared the acting force in a multi cylinder inline 4 stroke connecting rod. The connecting rod kinematic and kinetic phenomenon is analyzed with a Matlab- Simmechanic software. The input that used in this research is a measured engine rotational speed in crankshaft. The output which will be analyzed is angular velocity and acceleration (kinematic), connecting rod acting force (kinetic), and torque that act in this mechanism. Analyze will be done with separate the cylinder depended the similarity phase. Finally, if engine rotational speed increase then the force that act in connecting rod is bigger. Keywords : connecting rod, slider-crank, kinematic, kinetic, simmechanic viii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan atas karunia Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayahnya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini. Tidak lupa penulis mengucapkan terimakasih kepada, 1. Kedua orang tua yang telah sabar mendidik, membesarkan dan berdoa untuk penulis. 2. Bapak Dr. Achmad Widodo, ST, MT sebagai Dosen pembimbing TA Bapak Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT sebagai Dosen pembimbing TA Saudari Srini sebagai partner penelitian dan pengerjaan Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa laporan Tugas akhir ini jauh dari sempurna dan masih banyak kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan beberapa saran dan kritik yang membangun agar laporan ini jauh lebih baik. Semoga laporan ini bisa bermanfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Semarang, September 2012 Panji Sasongko Jati NIM. L2E ix

10 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN TUGAS SARJANA... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... iii HALAMAN PENGESAHAN... iv HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI... v HALAMAN PERSEMBAHAN... vi ABSTRAK... vii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR TABEL... xvi NOMENKLATUR... xvii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Batasan Masalah Metode Penelitian Sistematika Penulisan... 3 BAB II DASAR TEORI Klasifikasi Motor Bakar Istilah-Istilah pada Mesin Bolak-Balik/Recriprocating Engines... 8 x

11 2.1.2Four-Stroke Engine In-Line Multi-Cylinder ICE Rigid Bodies/Benda Tegar dan Plane Motion Kinematika Benda Tegar Rotasi Absolute Motion Kecepatan Relatif Akibat Rotasi Percepatan Relatif Akibat Rotasi Kinetika Benda Tegar Persamaan Dasar Gerakan Translasi Rotasi pada Sumbu Tetap Analisa Dinamis Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line Kinematika pada Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line Kinetika pada Mekanisme Slider-Crank Torsi Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line Software Simmechanic BAB III ANALISA DINAMIKA DAN PEMODELAN SIMULASI CONNECTING ROD Analisa Kinematika dan Kinetika Connecting Rod Kinematika Connecting Rod xi

12 3.1.2Kinetika Connecting Rod Torsi Saat Mekanisme Bekerja Pemodelan Connecting Rod Simulasi dengan Simmechanic BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Kinematika Connecting Rod Hasil Plot Kecepatan Angular Hasil Plot Percepatan Angular Analisa Kinetika Hasil Plot Gaya Connecting Rod Untuk Berbagai Variasi Kecepatan Rotasi Mesin Hasil Plot Torsi Mekanisme Slider-Crank BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1 Mesin mobil (ICE)... 5 Gambar 2. 2 Terminologi pada ICE... 8 Gambar 2. 3 Penampang mesin vertikal 4 langkah SOHC(Single Over Head Camshaft) Gambar 2. 4 Diagram siklus kerja motor bensin 4 langkah Gambar 2. 5 Prinsip kerja torak 4 langkah Gambar 2. 6 Bagian-bagian motor bensin 2 langkah Gambar 2. 7 Mesin multi-silinder segaris Gambar 2. 8 (a)rectilinier translation, (b)curvilinier translation Gambar 2. 9 Gerak rotasi terhadap sebuah sumbu Gambar Gerak kombinasi translasi dan rotasi Gambar Gerak rotasi benda tegar Gambar Benda tegar berputar terhadap titik O Gambar Contoh mekanisme pendekatan absolute motion Gambar Diagram benda bebas pendekatan absolute motion Gambar Relative motion Gambar Pengubahan free-body diagram sebuah benda menjadi diagram kinetika Gambar Gaya yang bekerja pada sebuah benda tegar Gambar Rectilinier dan curviliniear translation Gambar (a)rotasi benda tegar,(b)diagram benda bebas,(c)diagram kinetika Gambar Titik Q sebagai center of percussion Gambar Mekanisme slider-crank Gambar Percepatan connecting rod Gambar Diagram gaya piston Gambar Diagram gaya connecting rod Gambar Diagram gaya crankshaft xiii

14 Gambar Contoh pengkonversian gambar 3D ke dalam simmechanic Gambar 3. 1 Skema sederhana sistem slider-crank Gambar 3. 2 Gaya pada piston Gambar 3. 3 Diagram benda bebas gaya connecting rod Gambar 3. 4 Diagram benda bebas torsi crankshaft Gambar 3. 5 Diagram alir penelitian Gambar 3. 6 (a)model 3D solidwork mekanisme slider-crank,(b)model 3D solidwork connecting rod dan piston Gambar 3. 7 (a)blok-blok simmechanic mewakili mekanisme slider-crank,(b) Blokblok simmechanic mewakili sistem silinder Gambar 3. 8 Contoh blok pada simmechanic Gambar 3. 9 Parameter blok: Crankshaft Gambar Parameter blok: Ground Gambar Parameter blok: Machine Enviroment Gambar Parameter blok: Revolute Gambar Parameter blok: Prismatic Gambar Parameter blok: Joint Initial Condition Gambar Parameter blok: Joint Sensor Gambar Scope Gambar Simulasi simmechanic Gambar 4. 1 Mechanism slider crank Gambar 4. 2 Grafik kecepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 1 dan Gambar 4. 3 Grafik kecepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 2 dan Gambar 4. 4 Grafik kecepatan angular terhadap waktu pada silinder 1 dan Gambar 4. 5 Grafik percepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 1 dan Gambar 4. 6 Grafik percepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 2 dan Gambar 4. 7 Grafik percepatan angular terhadap waktu pada silinder 1 dan Gambar 4. 8 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 2000rpm pada silinder 1 dan Gambar 4. 9 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 2000rpm pada silinder 2 dan Gambar Grafik gaya terhadap sudut crank saat 3600rpm pada silinder 1 dan Gambar Grafik gaya terhadap sudut crank saat 3600rpm pada silinder 2 dan xiv

15 Gambar Grafik gaya terhadap sudut crank saat 5400rpm pada silinder 1 dan Gambar Grafik gaya terhadap sudut crank saat 5400rpm pada silinder 2 dan Gambar Grafik torsi terhadap sudut pada silinder 1 dan Gambar Grafik torsi terhadap sudut pada silinder 2 dan xv

16 DAFTAR TABEL Tabel 3. 1 Properti baja AISI Tabel 4. 1 Massa dan inersia komponen mekanisme slider-crank xvi

17 NOMENKLATUR Simbol Keterangan Satuan F Gaya N m Massa Kg a Percepatan m/ v Kecepatan m/s ω Kecepatan Angular rad/s α Percepatan Angular rad/ I Momen Inersi kg. M Momen N.m xvii