Perancangan Sistem Transmisi Untuk Penerapan Energi Laut

Transkripsi

1 Perancangan Sistem Transmisi Untuk Penerapan Energi Laut Zeno (1) dan Irfan Syarif Arief, ST.MT (2) (1) Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan ITS, (2),(3) Staff Pengajar Teknik Sistem Perkapalan ITS, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Saat ini banyak dikembangkan pemanfaatan energi laut sebagai tenaga listrik, salah satunya Pembangkit listrik tenaga Gelombang Laut. Tentunya diperlukan sistem transmisi untuk mentransmisikan daya dan putaran poros agar lebih cepat ke generator sehingga daya yang dihasilkan semakin besar. Perancangan ini bertujuan untuk mendapatkan rancangan planetary gear yang diberi pemberat pada ketiga planet gearnya yang hasilnya akan didapatkan putaran output yang tinggi dan juga rancangan konstruksi gear dan poros berdasarkan analisa tegangannya. Pada perancangan ini divariasikan sudut bandul ponton (20,25,30,35,40 ) dan tebal pemberat pada planetary gear (30 mm, 50 mm, 80 mm).dengan rancangan ini akan dihasilkan putaran terendah rpm pada variasi pemberat planet gear tebal 80 mm dan sudut bandul ponton 20 serta putaran tertinggi rpm pada variasi pemberat planet gear tebal 80 mm dan sudut bandul ponton 20. Kata Kunci : Planetary Gear, Sistem transmisi, energi laut, ponton I. PENDAHULUAN INDONESIA sebagai negara kepulauan memiliki pulau dengan panjang garis pantai km, artinya Indonesia memiliki potensi energi laut yang sangat besar kususnya gelombang laut. Pada masa sekarang banyak teknologi pembangkit tenaga listrik di Indonesia yang salah satunya yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Sistem Bandul (PLTGL-SB) yang sedang dikembangkan untuk mengatasi ketersediaan listrik di salah satu tempat di Indonesia. Tentunya diperlukan sistem transmisi untuk mentransmisikan daya dan putaran poros ke generator. Pada Tugas Akhir ini akan dilakukan perancangan Sistem Transmisi untuk Penerapan Energi Laut secara simulasi dan perhitungan kekuatan Permasalahan-permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini, antara lain: 1. Perancangan dan perhitungan kekuatan planetary gear 2. RPM output yang dihasilkan planetary gear berdasarkan variasi pemberat dan sudut kemiringan bandul ponton 3. Menenetukan torsi output yang dihasilkan Sedangkan tujuan dari penelitian ini ialah untuk menjawab pertanyaan di atas. II. URAIAN PENELITIAN Berikut ini adalah alur dari kegiatan yang dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan dalam penelitian ini: A. Tahap Telaah Berbagai literatur digunakan dalam menunjang penelitian. Mulai dari teori terhadap gelombang seperti periode, amplitudo dan hal lainnya. Selain teori terhadap gelombang, dicari pula literatur terhadap rumus dan nilai tegangan yang terjadi pada mooring line. B. Pengumpulan data Merupakan tahap dimana mengumpulkan data seperti variasi model dan lain lain. Kemudian didapatkan data sebagai berikut : design kecepatan putaran 15 rpm dengan panjang lengan bandul 1,5 m dan berat desain bandul maksimal 270 kg. Data lainnya menggunakan asumsi/variasi. Variasi yang dilakukan yaitu pada variasi sudut kemiringan bandul ponton (20,25,30,35,40 ) dan variasi tebal pemberat pada planet gear yaitu 30 mm, 50 mm, 80 mm. C. Perancangan Gear Merupakan Tahap dimana dilakukan perancangan dimensi gear dan poros, analisa gaya, kekuatan, pemilihan material gear dan poros sebelum dilakukan penggambaran model. D. Penggambaran Model Pada tahap ini dilakukan penggambaran model Planetary Gear dengan menggunakan software Solidworks. Tahapannya yaitu untuk penggambaran Arm dan poros dilakukan pada part section, sedangkan untuk gearnya menggunakan fasilitas tool box. Setelah itu digabungkan semuanya pada assembly section yang kemudian di mate semua bagian tersebut agar menjadi konstruksi planetary gear yang di inginkan. E. Solidworks Static Stress Simulation Setelah dilakukan penggambaran model berdasarkan perhitungan, maka diperiksa kekuatan gear dan porosnya dengan menggunakan static stress simulation di solidworks untuk validasi perhitungan yang telah dilakukan F. Motion Analysis Setelah model digambar di SolidWorks, maka dilakukan motion analysis atau analisa gerakan gear yang dipengatuhi oleh pemberat pada planet gearnya. Disini dicari RPM yang 1

2 dihasilkan akibat pengatuh pemberat pada planet gearnya dan torsi input. G. Pengambilan Kesimpulan Apabila perhitungan dan analisa dapat diterima, maka langsung dapat diambil kesimpulan semua analisa tersebut diatas tentang bagaimana rancangan Planetary Gear yang paling optimal Langkah 3 (mencari dan menentukan gaya & beban pada roda gigi) Pitch line velocity : Gaya tangensial : fpm III. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Perhitungan Kekuatan Gear Tahap awal perancangan sistem transmisi yaitu penentuan beberapa parameter dasar seperti modul, jumlah dan sudut gigi, tebal gigi, rasio diameter, rpm dan torsi Untuk perhitungan torsi pada variasi sudut lainnya yaitu : Berikut merupakan parameter dasar yang ditentukan : Jenis planetary gear Modul 5 diametral pitch 5,08 putaran input 15 rpm ratio diameter 6 jumlah gigi sun gear 50 buah jumlah gigi planet gear 100 buah sudut tekan (ø) 20 0 full depth diameter sun gear 250 mm 9,8425 inch diameter planet gear 500 mm 19,685 inch panjang lengan bandul 1500 mm 59,06 inch berat bandul 270 Kg 595,08 lbf Torsi ,7493 lbf.inch Beban dinamis : Karena Vp < 600 fpm, maka Tebal gear Beban keausan ijin : Rumus dasar : 2. dg 2. Ntg Q dp dg Ntp Ntg Kemudian dengan syarat : Beban bending ijin : Rumus dasar : Langkah 4 (analisa kekuatan terhadap patahan) Analisa Kekuatan Pinion Persamaan tegangan yang terjadi pada akar gigi : lb setelah ditentukan parameter inputnya, lalu dilakukan perhitungan untuk menentukan kekuatan gear dan poros. Langkah 1 (menentukan dan mencari dimensi roda gigi) Jumlah gigi : Dengan asumsi M = 5, didapat : Langkah 2 (mencari dan menentukan daya yang di transmisikan) Daya yang ditransmisikan yaitu : Roda gigi akan aman jika memenuhi T Sad Langkah 5 (analisa kekuatan terhadap keausan) Analisa Kekuatan Pinion - Persamaan dasar keausan menurut metode AGMA : - Persamaan keausan yang diijinkan : ( ) 2

3 Kesimpulan Dimensi utama roda gigi : Karakteristik Planet Gear Sun Gear Lebar gigi 50 mm = inch Sudut tekan 20 0 Full Depth 20 0 Full Depth Diametral pitch 5,08 Modul 5 Jari-jari 250 mm 500 mm Jumlah gigi AISI 4340 steel Bahan normalized (material) hardness 321 BHN AISI 4340 steel normalized hardness 321 BHN Tabel 4. 1 kesimpulan dimensi pasanagn gear yang dipakai Kekuatan roda gigi : 3.2 Perhitungan poros Perencanaan & Perhitungan Poros input sun gear Sketsa Gaya-Gaya pada poros model 3D Gambar 4. 1 Sketsa gaya pada poros input (Sun Gear) Untuk perhitungan dengan konstruksi poros yang arahnya vertikal seperti ini, maka gaya-gaya yang menyebabkan terjadinya puntiran hanya terjadi pada beban vertikal saja, sehingga analisa gaya yang dicari adalah analisa gaya dari bidang vertikal. Analisa gaya bidang vertikal Dengan konstruksi sedemikian, pada poros I (input) ini momen paling besar yaitu berasal dari momen bandul sebesar 2551,22 Nm. Untuk perhitungan momen pada masing-masing titik adalah menggunakan cara perbandingan sebagai berikut : Kekuatan roda gigi : Sedangkan untuk gaya yang terjadi pada setiap titik sama dengan gaya pada titik A yaitu Sehingga diagram momen dan diagram gaya yang dihasilkan adalah Tabel 4. 2 kesimpulan kekuatan pasangan gear Gambar 4. 2 diagram momen dan gaya poros input Analisa Torsi dan Momen Total - Momen total : 3

4 - Torsi : T = T A = 2551,22 Nm = 22580,25 lb.in Menghitung Diameter Poros Dengan asumsi-asumsi sebagai berikut : 1. Beban yang terjadi adalah beban statis 2. Dimensi poros adalah pejal atau D i = 0 3. Bahan yang digunakan adalah AISI 4030 steel annealed S u = 745 MPa ; S yp = 470 MPa Karena hanya menggunakan momen puntir, Maka persamaan yang digunakan adalah : Tegangan geser yang diijinkan [5] τa (kg/mm 2 ) untuk pemakaian umum pada poros dapat diperoleh dengan berbagai cara, salah satunya τa dihitung atas dasar batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik σ B (sesuai standar ASME) Sehingga material AISI 1045 steel cold drawn dapat digunakan karena tegangan ijin material lebih besar daripada tegangan geser torsional nya. Berikut material yang dipilih Analisa gaya bidang vertikal Dengan konstruksi sedemikian, pada poros II (poros planet gear) ini momen paling besar pada titik F yaitu berasal dari sun gear. Momen pada sun gear tersebut Nmm. Sedangkan momen pada planet gear merupakan 1/3 dari momen yang ada di sun gear. Sehingga nilai momen di planet gear menjadi ,363 Nmm Untuk mencari gaya pada titik G yaitu : M E = 0 searah jarum jam + Fv (140) + Gv(280) = ,236(140) + Gv(280) = 0 Gv = 2899,118 N Untuk mencari gaya pada titik E yaitu : M G = 0 searah jarum jam + Ev(280) + Fv (140) = 0 Ev(280) ,236 (140) = 0 Ev = 2899,118 N Untuk perhitungan momen pada masing-masing titik adalah menggunakan cara perbandingan sebagai berikut : M F = ,363 Nmm M F (140) M G (0) = 0 M G = 0 M F = ,363 Nmm M E (0) - M F (140) = 0 M E = 0 Perencanaan & Perhitungan Poros planet gear Gambar 4. 4 diagram momen dan gaya poros planet gear Gambar 4. 3 Sketsa gaya pada poros Planet Gea) Untuk momen input yaitu MA sudah diketahui yaitu berasal dari momen bandul sebesar 2551,22 Nm. Berbeda dengan poros input yang hanya menggunakan momen puntir, poros pada planet ini, momen yang terjadi hanya momen bending. Hal ini dikarenakan hanya ada gaya horizontal pada poros planet yang posisinya vertikal. Gaya horizontal ini dikarenakan adanya planet gear yang berputar berevolusi mengelilingi sun gear. Untuk momen puntirnya dianggap tidak ada karena pada planet gear dipasang bearing sehingga dianggap menghilangkan momen puntir. Dengan asumsi-asumsi sebagai berikut : 1. Beban yang terjadi adalah beban statis 4

5 2. Dimensi poros adalah pejal atau D = 40 mm 3. Bahan yang digunakan adalah AISI 1045 steel S u = 745 MPa ; S yp = 470 MPa 4. Safety factor, N = 2.5 Maka persamaan yang digunakan adalah : AISI 4030 steel annealed dengan UTS 745 Mpa dapat digunakan. Stress analysis pada planet gear Berikut ini merupakan hasil dari stress analysis pada planet gear : Dimana : ; Sehingga : Sehingga perhitungan safety factor nya menjadi Sehingga tegangan maksimal akibat bending dapat diterima karena kurang dari tegangan ijin material yang di pilih. 3.3 Stress Analysis Stress analysis pada poros input (sun gear) Berikut ini merupakan hasil dari stress analysis pada poros input sun gear : Gambar 4. 6 hasil simulasi Stress analysis pada planet gear bending stress pada planet gear tersebut berada pada titik maksimum 22,308 psi yang ditunjukkan letaknya pada gambar diatas. Stress analysis simulation (tegangan kerja) pada gear tooth (sun gear) Berikut ini merupakan hasil dari stress analysis pada tegangan kerja yang terjadi pada gear tooth pada sun gear : Gambar 4. 5 hasil simulasi Stress analysis poros input torsional shear stress pada poros input tersebut berada pada titik maksimum 106,659 MPa yang ditunjukkan letaknya pada gambar diatas. Nilai ini hampir sesuai bila di bandingkan dengan hitungan yang nilainya 103,9044 Mpa. Dengan tegangan ijin material 133,0357 MPa untuk pemilihan material yang syaratnya 18% UTS, material Gambar 4. 7 hasil simulasi Stress analysis (tegangan kerja) gear tooth tegangan kerja pada gigi dari sun gear tersebut berada pada titik maksimum Psi yang ditunjukkan letaknya pada gambar diatas. Nilai ini hampir sesuai 5

6 bila di bandingkan dengan hitungan yang nilainya ,3886 Psi. Hal ini menunjukkan bahwa material yang dipilih yaitu AISI 4030 steel normalized dengan tegangan izin Psi bisa digunakan. Karena dengan syarat tegangan kerja kurang dari kekuatan material (tegangan ijin material), maka material ini bisa digunakan Stress analysis simulation poros planet gear Berikut ini merupakan hasil stress analysis pada poros planet gear Gambar 4. 9 hasil simulasi Factor of safety poros planet gear 3.4 Motion Analysis Gambar 4. 8 hasil simulasi Stress analysis poros planet gear Pada bagian ini dilakukan analisa putaran terhadap gerakan planetary gear set yang sudah dirancang. Analisa putaran ini dilakukan dengan input parameter torsi, rpm, dan material. Untuk parameter input yang tidak berubah adalah putaran input 15 rpm, dan material yang didapatkan dari perhitungan diatas yaitu AISI 4340 normalized. Untuk input parameter torsi dilakukan variasi terhadap sudut kemiringan bandul ponton yaitu pada kemiringan 20, 25, 30, 35, 40 derajat [4][6]. Sedangkan untuk variasi kedua yaitu pada tebal dari pemberat pada planet gear yaitu dengan variasi tebal 30,50, 80 mm. Hasilnya ditampilkan pada tabel dan grafik dibawah ini : tegangan kerja pada gigi dari sun gear tersebut berada pada titik maksimum 42,984 MPa yang ditunjukkan letaknya pada gambar diatas. Nilai ini hampir sesuai bila di bandingkan dengan hitungan yang nilainya 43,087 MPa. Berikut ini merupakan safety factor dari poros planet akibat bending stress Tabel 4. 3 variasi sudut bandul ponton dan pemberat planet gear terhadap putaran yang dihasilkan 6

7 Dari Gambar 4. 10, Grafik Perbandingan Sudut bandul dengan putaran yang dihasilkan berdasarkan tebal pemberat planet gear diatas, dapat diketahui bahwa semakin besar sudut bandul ponton, semakin tinggi pula RPM output yang dihasilkan. Karena semakin tinggi torsi yang ditransmisikan, semakin tinggi pula putaran output yang dihasilkan. Begitu pula sebaliknya. Dapat dilihat juga bahwa semakin berat pemberat pada tiap planet gear, maka semakin rendah putaran yang terjadi. Hal ini dikarenakan semakin berat planet gear nya, semakin rendah putaran yang dihasilkan 4. Dari variasi sudut bandul ponton (20, 25, 30, 35, 40 ), semakin besar sudut bandul, semakin tinggi torsi yang dihasilkan 5. Dari hasil motion simulation di solidworks, semakin besar sudut bandul ponton, semakin tinggi pula RPM output yang dihasilkan. Karena semakin tinggi torsi yang ditransmisikan, semakin tinggi pula putaran output yang dihasilkan. Begitu pula sebaliknya. 6. Dari hasil motion simulation di solidworks, semakin kecil tebal pemberat planet gear, semakin besar juga semakin tinggi RPM yang dihasilkan. Hal ini dikarenakan planet gearnya semakin ringan sehongga putaran semakin tinggi. Begitu pula sebaliknya. 7. Torsi output yanghnjhnj dihasilkan nilainya setengah dari torsi input 8. Daya output didapatkan semakin besar sudut bandul ponton, semakin tinggi pula daya output yang dihasilkan karena daya dipengaruhi oleh RPM dan torsi. V. SARAN Saran yang dapat diberikan dari penelitian ini adalah : 1. Diperlukan pembuatan secara langsung untuk model maupun benda nyata dari planetary gear ini guna mendapatkan nilai yang lebih valid 2. Dilakukan analisa tegangan menggunakan software lain yang bisa mensimulasikan tegangan kontak pasangan gear seperti Ansys FEM UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Irfan Syarif Arief,ST.MT dan Bapak Ir. Tony Bambang Musriyadi, PGD, selaku dosen pembimbing atas arahan dan bimbingannya. Terima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung dalam penelitian ini sehingga Penelitian ini dapat diselesakan. Pada Gambar Grafik Daya output yang dihasilkan berdasarkan nilai RPM dan torsi pada masing-masing variasi, yaitu semakin tinggi RPM output dan Torsi output yang dihasilkan, maka semakin besar daya yang dihasilkan. Hal ini dapat dilihat nilai maksimum daya yang didapatkan dari berbagai variasi tersebut yaitu Hp dan nilai minimum yaitu 73.1 Hp IV. KESIMPULAN Dari analisa diatas, dapat disimpulkan bahwa : 1. Perancangan sun gear dengan jumlah gigi 50 buah, diameter 250 mm, modul 5 dan tebal 50 mm sedangkan Perancangan planet gear dengan jumlah gigi 100 buah, diameter 500 mm, modul 5 dan tebal 50 mm. 2. Dari setiap perhitungan perancangan planetary gear set tersebut, sudah sesuai dengan hasil simulasi walaupun ada sedikit perbedaan. 3. Perancangan planetary gear set dan material yang dipilih dapat diaplikasikan untuk di buat modelnya 7 DAFTAR PUSTAKA [1] Deutschman D. Aaron, Michels J. Walter, Wilson E. Charies MACHINE DESIGN THEORY AND PRACTICE. Macmillan Publishing Co. New york [2] ELECTROMECHANICAL DESIGN HANDBOOK [3] George W. Michalec. MACHINE ELEMENT. Engineering and Science, Stevens Institute of Technology [4] Resolution A.749(18). CODE ON INTACT STABILITY FOR ALL TYPES OF SHIPS COVERED BY IMO INSTRUMENTS. [5] POROS-dengan-BEBAN-PUNTIR.pdf [6] [7]