BAB II DASAR TEORI Selama kira-kira lima tahun belakangan ini terdapat lebih banyak publikasi tentang MRFs daripada electrorheological fluid yang telah disajikan dalam domain publik. Pada awal pengembangan MRFs, hasil yang diperoleh tidak dapat diprediksi, seperti penggambaran penggunaan ketebalan, sedimentasi dan abrasi. Hal ini menciptakan beberapa tantangan awal untuk pengaplikasian pada industri yang didasarkan pada MRFs, terutama untuk aplikasi otomotif. Selama beberapa tahun belakangan ini perilaku stabilitas, sedimentasi dan pengikisan telah dipelajari dibeberapa universitas dan perusahaan di Amerika Serikat (Lord Inc), di Eropa (DEA, BASF, Bayer) dan di Jepang (Bridgestone Inc, Sigma Inc). Aplikasi terbaru dari MRFs seperti peredam, clutch, bantalan aktif sudah beredar ke pasaran dan dalam waktu dekat akan mulai diproduksi (Phillips, 1969). MRFs terdiri dari fluida yang di dalamnya terdapat partikel-partikel feromagnetik yang berukuran nano (Genc, 2000). Partikel-partikel nano ini yang menyebabkan perubahan sifat-sifat pada fluida jika dilakukan suatu treatment tertentu. Elastis pada saat memiliki sifat fluida dan akan semakin plastis jika dialirkan arus (Ismail, 2012). Perubahan struktur parikel feromagnetik menjadi seperti rantai sehingga dapat menaikan viskositas fluida (Seong, 2001). 2.1.1 Prinsip Kerja Teknologi MR Fluid Sifat rheological dari MRFs bergantung pada formulasi bahan kimia dan stabilitas struktur seperti rantai. Material fero berbentuk tidak beraturan, pada saat arus belum diberikan pada fluida. Material tersebut membentuk sebuah rantai, sesaat setelah penerapan arus listrik diberikan,. Secara fisik efek dari MR digambarkan dengan penyederhanaan skematik pada Gambar 2.1 (Grunwald, 2007). Gambar 2.1 Penyederhanaan Skematik MR (Grunwald, 2007) Teknologi MRFs terbagi menjadi berbagai macam bentuk dan penggunaannya, berikut adalah MRFs yang digunakan pada proses simulasi. 4
5 Tabel 2.1 Spesifikasi MRFs (Lord technical data, 2012) Properties MRF-122EG MRF-132DG MRF-140CG Carrier Liquid Hydrocarbon Hydrocarbon Hydrocarbon Filling particle Carbonyl iron Carbonyl iron Carbonyl iron Density g/cm 3 2,28 3,09 3,64 Viscosity, Pa-s @ 40 0,061 ± 0,070 0,112 ± 0,02 0,280 ± 0,070 Solids content by weight, % 72 80,98 85,44 Flash point, o C ( o F) >150 (>302) >150 (>302) >150 (>302) Operating Temperature, o C ( o F) -40 to +130 (- 40 to + 266) -40 to +130 (-40 to + 266) -40 to +130 (- 40 to + 266) Perangkat MRFs memiliki tiga mode kerja dasar: mode katub, mode geser, dan mode squeeze. Prinsip kerja mode katup, MRFs berada pada tengah kutub magnet diam, perbedaan tekanan menimbulkan aliran, hambatan aliran dikendalikan oleh medan magnet, perangkat mode katup meliputi, dan peredam (shock absorber). Dalam mode geser, ada gerakan relatif antara kutub, gerakan ini membuat MRFs menjadi bergeser, tegangan geser dapat diubah dengan mengubah intensitas medan magnet, perangkat modus geser meliputi rem dan kopling, dll. Sedangkan pada mode squeeze, arah kutub magnet "bergerak sejajar dengan garis induksi magnetik, keadaan MRFs menjadi meregang dan terkompresi, secara umum, meskipun perpindahan kutub magnet kecil, tapi itu bisa menghasilkan resistensi besar, biasanya digunakan sebagai peredam getaran. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.2 (Olabi, 2007). Gambar 2.2 Operasi mode cairan magnetorheological; (a) mode aliran, (b) mode geser secara langsung, dan (c) modus squeeze, di mana F, P, D, dan B mewakili kekuatan, tekanan, aliran, perpindahan, kecepatan, dan medan magnet yang diterapkan, masingmasing model (Olabi, 2007)
6 2.1.2 Prinsip Kerja MR Brake Ilustrasi tiga dimensi dari konfigurasi dasar dari desain MRB ditunjukkan pada Gambar 2.3. Ini terdiri disk yang berputar dalam cairan MR tertutup pada casing yang tertutup. Potongan dibuat untuk menyoroti penampang yang dimodelkan dan dianalisis terlihat pada Gambar 2.3. 1 2 5 7 3 6 4 1. Shaft 2. Ring 3. Disk 4. Surrounding air 5. Casing 6. Coil 7. MR fluid gap Gambar 2.3 Prinsip kerja MRB (Smith, 2007) Proses simulasi yang dilakukan menghasilkan fluks magnetik dengan satuan tesla. Ilustrasi dua dimensi dapat dilihat pada Gambar 2.3. Gambar 2.3 menilustrasikan aliran fluks magnetic yang dihasilkan oleh perangkat yang digunakan. Koil memproduksi fluks pada semua luasan yang tercover tepat dibawahnya, sepanjang diameter dari koil itu sendiri. Magnetic circuit diturunkan dari satu loop yang diciptakan menggunakan hukum Kirchof. Simbol Rcoil1, Rcoil2, Rconect, Rdisk, Rmrfluid menyatakan reluktansi dari inti 1 dan 2, reluktansi dari penghubung, reluktansi dari disk, serta reluktansi dari fluida MR. Reluktansi pada setiap part dapat dihitung dengan: L A (2.1) dimana, L adalah panjang efektif yang dilewati oleh fluks magnetik pada setiap bagian, μ ialah sifat magnetik dan A adalah area dari fluks magnetik. Sedangkan, total dari gaya magnetomotive adalah penjumlahan dari gaya magnetomotive seluruh bagian pada satu loop penuh. Beberapa pengembangan telah dilakukan oleh para peneliti untuk menemukan desain MRB. Desain drum terbalik digunakan pada banyak aplikasi-aplikasi pada prototype truck fan drive yang dibuat oleh General Motors (Smith, 2007).
7 Pengaplikasian pada rem yang terhubung dengan flywheel yang digunakan pada alat untuk melatih otot (Carlson, 2001). Pada Gambar 2.4 menunjukkan posisi koil yang terletak di dalam maupun di luar fluida. Pada desain drum bertujuan untuk memperluas bidang yang berpapasan langsung dengan fluida. Semakin besar luas penampang yang kontak langsung dengan fluida maka akan menambah besar nilai torsi pengereman. Gambar 2.4 Prinsip kerja magnetorheological drum brake (Carlson, 2011) Penulis lain juga memperkenalkan beberapa desain disk yang membentuk huruf T yang bertujuan untuk meningkatkan bagian yang kontak dengan disk (Luchesi, 2004). Pada desain Gambar 2.5 menunjukkan koil diletakan pada tepi-tepi disk yang berbentuk T. Pada desain tersebut sangatlah sulit untuk membuat serta pengantian suku cadang. Gambar 2.5 Prinsip kerja magnetorheological T-shaped brake (Carlson, 2011)
8 Selain mengembangkan variasi desain pada disk, akhir-akhir ini para peneliti juga mengembangkan pada variasi jumlah coil. Jumlah coil ditambahkan bertujuan untuk meningkatkan besar fluks magnetik yang dapat juga meningkatkan performa dari MRB. Beberapa ilmuan memperkenalkan desain menggunakan coil di dalam housing dan beberapa yang lainya menempatkan coil di luar dari housing. Pada desain MRB sebelum-sebelumnya, coil diletakan pada house yang berbentuk silinder. Hasilnya, terdapat banyak kekurangan yang didapatkan, seperti masalah bottle-neck pada fluks magnetik dan kesulitan pada pembuatan maupun dalam pemasangan. Penyelesain masalah tersebut dilakukan pada penelitian konfigurasi baru dari MRB dengan penempatan coil pada sisi housing. Menunjukkan bahwa fluks magnetik yang dihasilkan dapat meningkat, mudah untuk pembuatan, pengujian serta pemeliharaan jika dibandingkan dengan sebelumnya (Nguyen, 2015). Gambar 2.6 Prinsip kerja multi-sided coil MRB (Nguyen, 2015) Koil tambahan sebanyak 6 buah yang posisinya lateral pada disk yang digunakan. Koil diletakan pada luar maupun dalam dari fluida. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 2.6 aliran fluks magnetik pada tiap coil saling terhubung. Gambar 2.7 menjelaskan prinsip kerja MRB multicoil. Desain tersebut diharapkan terjadinya peningkatan fluks magnetik yang signifikan, sehingga dapat meningkatkan performa desain tersebut.
9 Gambar 2.7 Prinsip kerja multi-coil MRB (Nguyen, 2015) 2.2 Permodelan dengan Metode Elemen Hingga Sebuah model elemen hingga (FEM) dari MRB dikembangkan menggunakan ANSYS untuk mengetahui tingkah lakunya secara akurat. Model ini adalah model multiphysics yang dapat menghitung magnetostatics, aliran MRFs, perpindahan panas, respon struktural dalam MRB. Karena sifat MRB yang berbeda-beda, dengan kehadiran program nonlinier seperti saturasi magnetik dan perilaku dari cairan non- Newtonian dan tidak adanya solusi dengan bentuk tertutup, pemodelan elemen terbatas dan analisis essential design step. Prosedur analisis elemen hingga terdiri dari Studi magnetostatics diikuti oleh computational fluid dynamics (CFD) yang dapat disimulasikan di ANSYS. Dapat memberikan distribusi medan magnet pada MRB, yang memungkinkan penentuan tegangan luluh. Distribusi medan magnet kemudian dihubungkan ke dalam permodelan CFD, untuk menghitung tekanan geser dinding gesekan yang diberikan pada dinding dan pada permukaan disk-suhu distribusi dalam MRB. Langkah pertama dalam pemodelan elemen hingga adalah menentukan geometri dasar pada rem. Pemodelan menggunakan axisymmetric, yang berarti bahwa geometri, sifat material dan beban semua konsisten sepanjang arah tangensial. Simulasi magnetostatics, B-H (kepadatan magnetik fluks vs besar luasan yang digunakan) kurva magnet untuk dua MRFs diperoleh dari spesifikasi pabrik dan kurva B-H untuk elemen baja (SAE 1018 baja) yang digunakan sebagai material untuk membentuk casing dan disk (s) adalah diperoleh dari pustaka bahan pada
10 ANSYS. Baja adalah yang ideal dengan reluctance rendah (atau permeabilitas magnet yang tinggi) arah fluks yang dapat dibentuk dan fokus pada fluks magnetik kedalam celah MRFs. 2.3 Sebaran Fluks Magnetik Hasil simulasi magnetik secara dua dimensi yang ditunjukkan pada Gambar 2.8 dan Gambar 2.9. Jelas terlihat bahwa pada kedua desain, sebagian besar cairan MR di permukaan silinder rotor ditembus secara ortogonal oleh fluks magnetik dari 12 kutub yang berada disekitarnya. Inner-rotor brake, kumparan menghasilkan kekuatan medan magnet yang lebih tinggi daripada outer-rotor brake. Hal ini disebabkan jalur yang dilewati inner-rotor brake lebih pendek jika dibandingkan dengan outer-rotor brake. Hasil ini sejalan dengan konsep operasi dasar sebaran fluks magnetik dimana fluks perjalanan dalam sebuah loop tertutup (Shiao, 2013). Gambar 2.8 Sebaran Fluks Magnetik pada inner-rotor MRB (Shiao, 2013) Gambar 2.9 Sebaran Fluks Magnetik pada outer-rotor MRB (Shiao, 2013)