BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Dari konsep yang telah dikembangkan, kemudian dilakukan perhitungan pada komponen komponen yang dianggap kritis sebagai berikut: Tiang penahan beban maksimum 100Kg, sambungan baut pengikat tiang, sambungan pengelasan, roller conveyor, transmisi puli dan belt, dan daya motor listrik yang diperlukan. 4.1 Perhitungan 4.1.1 Perhitungan tiang penahan beban Sesuai dengan fungsinya yaitu unutuk menahan beban pasien maksimum 100 Kg, maka beban yang terjadi pada tiang dapat digambarkan seperti dibawah ini. W=1000N Y Dimensi tiang: B=75 mm, b=70.4 mm, Y=37.5 mm 53
53
P = 1000 N 54 x x F1 700mm + - ΣF = 0, ΣFx = 0 ΣFy = 0 -P + F1 = 0 F1 = P F1 = 1000 N Shear Diagram X - X B Momen bengkok yang terjadi pada lengan x-x besarnya dapat dihitung sebagai berikut : Mb = P x L Mb = 1000 N x 700 mm Mb = 700000 Nmm Momen Diagram B X - X
55 Bahan tiang dipilih menggunakan besi pipa persegi (square tube) dengan bahan ST37, nilai σu maksimum = 370 N/mm 2 Safety factor diambil 5 (untuk beban dinamis 2-4 atau lebih) dan bearat tiang diabaikan karena pengambilan safety factor yang besar untuk keamanan ekstra dan pembebanan terjadi cukup besar. Maka berat tiang dapat diabaikan karena perubahan yang terjadi tidak terlalu signifikan, maka tegangan tarik ijinnya adalah sebagai berikut: σt = 370 5 = 74 N/mm² Momen Inersia pada penampang x-x pipa persegi yang terjadi dapat dihitung sebagai berikut: Ix Ix = Ix Ix = b⁴ 12 h⁴ 12 (75 mm )⁴ 12 (70.4 mm )⁴ 12 = 31640625 mm 4 24563521.9456mm ⁴ 12 = 7077103.0544 mm ⁴ 12 Ix = 589758.5878 mm 4 Dengan diketahui momen bengkok maksimum dan momen inersia pada penampang x-x pipa persegi, maka tegangan bengkok dapat ditentukan sebagai berikut : σb σb σb = Mb Wb = = σb = σb Mb. Y Ix Syarat Kuat : σb σt 700000 Nmm. 37,5 mm 589758.5878 mm ⁴ 26250000 Nmm ² 589758.5878 mm ⁴ = 44.5097 N/mm² 44.5097 N/mm² 74N/mm² (Konstruksi Kuat)
56 4.1.2 Perhitungan baut pengikat tiang Tiang penahan beban akan dilas dengan plat dudukan agar dapat dilakukan pembongkaran. Pengikatnya menggunakan empat baut, dua baut berjarak 155mm dan dua baut lainnya berjarak 25m, jadi untuk harga F1 akan dibagi dua sehingga dapat mengetahui gaya yang terjadi pada setiap bautnya. Untuk menentukan ukuran baut yang akan digunakan maka perhitungan baut yang diperlukan dengan beban eksentrik sejajar sumbu baut. Plat dudukan ketebalannya 10mm. Wo = 1000 N, L = 700 mm L 1 = 100 mm L 2 = 25 mm Fc = 1,2 σu = 370 N/mm 2 Sf = 4 σa = σu Sf τa = 0,5 σa = 370 N/mm ² 4 = 0,5. 92,5 N/mm 2 = 46,25 N/mm 2 n = 4 baut Ws Ws = Ws = W n = Wo. Fc n 1000 N. 1,2 4 = 300 N L1 = L3, L2 = L4 = 92,5 N/mm² Menghitung beban pada setiap baut untuk jarak Ln Wtn C = C = = C. Ln W. L L1²+ L2²+ L3²+L4² 1200 N. 700 mm 100 mm 2 +(25 mm )²+ 100 mm ²+(25 mm )² Wo = 1000 N
57 C C = 840000 Nmm 21250 mm ² = 39.52 N/mm Wt 1 = C. L 1 Wt 1 Wt 1 = 39.52 N/mm. 100 mm = 3952 N (max) Wt 2 = C. L 2 Wt 2 Wt 2 = 39.52 N/mm. 25 mm = 988 N/mm Menghitung beban tarik ekivalen Wte = 1 (Wt max) + 2 Wt max2 + 4Ws 2 ) Wte = 1 (3952 N + 2 3952 N 2 + 4(300 N)² ) Wte = 1 (3952 N + 2 15618304 N2 + 360000 N² ) Wte = 1 2 Wte = 1 2 Wte = 1 2 (3952 N + 15978304 N² ) (3952 N + 3997, 287 N) (7949,287 N) Wte = 3974, 643 N Menghitung beban geser ekivalen Wse = 1 ( Wt 2 max2 + 4Ws 2 ) Wse = 1 ( 3952 N 2 + 4(300 N)² ) 2 Wse = 1 ( 15618304 N² + 360000 N² ) 2 Wse = 1 2 Wse = 1 2 ( 15978304 N² ) (3997, 287 N) Wse = 1998, 6435N
58 Menghitung diameter baut karena beban tarik d 1 4.Wte π. σa d 1 4. 3974,643 N π. 92,5 N/mm ² d 1 15898,572 N 290.5973 N/mm ² d 1 d 1 54,7099 mm² 7,396 mm Menghitung diameter baut karena beban geser d 1 4.Wse π.τa d 1 4. 1998,6435 N π. 46,25 N/mm ² d 1 7994,574 N 145.2986 N/mm ² d 1 d 1 55,0216 mm² 7, 417 mm Berdasarkan tabel 4 ukuran standar ulir kasar (JIS B0205), baut yang dipilih adalah baut M10 dengan pertimbangan lebih aman dengan spesifikasi sebagai berikut : d 1 = 8,376 mm D P = 10 mm = 1,5 mm
59 Dilakukan perhitungan pengecekan tegangan geser yang yang terjadi pada baut agar baut kuat menahan beban yang terjadi : τb = τb = τb = τb = τb W π. d1. k. p. z W π. d1. k. H 1200 N π. 8,376 mm. 0,84. 10 mm 1200 N 221.0374 mm ² = 5.4289 N/mm² Dilakukan perhitungan pengecekan tegangan geser yang yang terjadi pada mura gar baut kuat menahan beban yang terjadi: τm = τm = τm = τm = τm W π. d1. j. p. z W π. d1. j. H 1200 N π. 8,376 mm. 0,75. 10 mm 1200 N 197.3548 mm ² = 6.0804 N/mm² Tegangan geser yang terjadi pada baut dan mur harus lebih kecil dari tegangan geser yang diijinkan. τb,τm < τa 5.4289N/mm², 6.0804 N/mm 2 < 46.25 N/mm 2 Maka baut dan mur dengan bahan ST37 dinyatakan aman
60 4.1.3 Perhitungan kekuatan las Perhitungan sambungan las agar sambungan las tersebut tidak patah saat terjadi pembebanan. Dengan filler metal σy = 350 Mpa, dengan kaki las 3 mm, dan safety factor 3 (dari kisaran 3-6). L = panjang welding = 70 mm (Pipa persegi 75x75mm), h = kaki las = 3 mm Tegangan geser yang diijinkan τa = σy Sf τa = 350 3 τa = 116,67 N/mm 2 A = Luasan Welding = L x troat troat = 0,707 x kaki las troat = 0,707 x 3 mm troat= 2,121 mm A = L x troat A = 70 mm x 2,121 mm A = 148.47 mm 2 Gaya max yang dapat diterima F = τa. A F = 116,67 N/mm 2. 148.47 mm² F = 17321.9949 N Tegangan geser yang terjadi F (beban total 100 kg = 1000 N) τ = A τ = 1000 N 148.47 mm 2 τ = 6.7353 N/mm 2 Pengecekan: τ τa 6.7353 N/mm 2 116,67N/mm 2 (Sambungan las dinyatakan aman)
61 4.1.4 Perhitungan daya motor Sistem penggerak menggunakan motor listrik, daya motor dihitung menggunakan persamaan P F f = F f x V = N x μ F f = 1000 N x 0.6 F f = 600 N (maks) Mencari daya motor unutuk menggerakkan belt konveyor. Belt bergerak dengan kecepatan 5 km/jam, diambil dari rata-rata manusia bila berjalan kaki biasa. (Marojahan Tampubolon, 2011) P = F f x V P = 600 N x 5 km/jam P = 600 N x 1,3888 m/s P = 833.28 Nm/s P = 833.28 Watt Daya motor yang diperlukan untuk menggerakan konveyor, dari motor menggerakan transmisi v-belt yang efisiensi mekanisnya 95% dan efisiensi motor 80%. P Pd = ηm Pd = 833.28 Watt ηm Pd = 833.28 Watt 95%. 80% Pd = 1096.4210 Watt Pd = 1.096421 KW Dari perhitungan daya motor, dipilih motor dengan daya 1 KW dan putaran 1450 rpm
62 4.1.5 Perhitungan Poros Perhitungan torsi poros dilakukan agar poros mampu memindahkan daya motor tanpa terjadi perubahan bentuk terhadap porosnya sendiri. Dan lebih lanjutnya untuk menghitung diameter poros yang diperlukan. P : Daya yang ditransmisikan = 1000 W n : Putaran motor = 1450 rpm Fc : Faktor Koreksi = 1,2 Menghitung daya rencana Pd = P. Fc Pd = 1000 W. 1,2 Pd = 1200 W Menghitung torsi T = Pd W T = T = T = T Pd 2πn 60 1200 W 2. π. 1450 60 1000 72000 W. 1000 2. π. 1450 = 7902,8661 Nmm Menghitung beban lentur F = 1000 N C RA RB + -
63 ΣMA = 0 F. 300 - RB. 600 = 0 1000 N. 300 - RB. 600 = 0 RB RB = 300000 N 600 = 500 N ΣFy = 0 F = RA + RB 1000 N = RA + 500 N RA = 1000 N 500 N RA = 500 N Momen di titik C MC = RA. 300 mm MC = 500 N. 300 mm MC = 150000 N mm Shear Diagram C A Momen Diagram B C A B
64 Tegangan geser yang diijinkan τa = σu Sf1. Sf2 τa = 370 N/mm ² 6. 2 τa = τa 370 N/mm ² 6. 2 = 30,8333 N/mm² Perhitungan diameter poros pejal menggunakan factor koreksi momen puntir (Kt = 2) dan koreksi momen lentur (Km = 2) ds [ 5,1 τa Km. M 2 + Kt. T 2 ] 1 3 ds [ ds [ 5,1 30,8333 N/mm ² 5,1 30,8333 N/mm ² 2.150000 Nmm 2 + 2. 7902,8661 Nmm 2 ] 1 3 300000 Nmm 2 + 15805.7222 Nmm 2 ] 1 3 ds [ 5,1 30,8333 N m m 2 15805,7222 Nmm 2 ] 1 3 ds 13,7759 mm Poros yang digunakan lebih besar dari 13,7759 mm. Poros yang digunakan berdiameter 20mm agar lebih aman 4.1.6 Perhitungan Transmisi Daya yang akan ditransmisikan P : 1 Kw Putaran poros motor penggerak n1 : 1450 Rpm Putaran poros mesin/alat n2 : 700 Rpm Jarak antar sumbu poros c : 300 mm Perbandingan putaran (i) i i = n1 n2 = 1450 Rpm 700 Rpm i = 2.0714
65 Daya rencana Pd = P. fc Pd = 1 Kw. 1,2 Pd = 1,2 Kw Rpm max 1450 rpm Pd 1,2 Kw Dari diagram pemilihan sabuk, sabuk yang dipilih adalah type A. Dari tabel diameter minimum puli yang diizinkan dan dianjurkan (mm), dipilih diameter d p = 95 mm
66 Menghitung d in d in = d p 2K o d in = 95 mm 2. 8 d in = 79 mm Menghitung d out d out = d p + 2K d out = 95 mm + 2. 4,5 d out = 108 mm Menghitung D p d p. n 1 = D p. n 2 95 mm. 1450 = D p. 700 D p = D p 95 mm.1450 700 = 196.78 mm Menghitung D in D in = D p 2K o D in = 196.78 mm 2. 8 D in = 180.78 mm Menghitung D out D out = D p + 2K D out = 196.78 mm + 2. 4,5 D out = 205.78 mm Menghitung Kecepatan Belt V = V = π. dp. n1 60 s π. 95 mm. 1450 60 s V = 7212.5731 mm/s V = 7.212 mm/s
67 Pengecekan C (jarak sumbu poros) terhadap diameter puli C C C = = dout +Dout 2 108 mm +205,78 mm 2 = 156.89 mm Menghitung kapasitas daya yang ditransmisikan untuk satu sabuk tunggal, Po(kW) 1450 rpm RPM Merk merah (Kw) Harga tambahan karena perbandingan putaran (Kw) 1400 1,54 0,18 1450?? 1600 1,71 0,20 Menggunakan rumus interpolasi Merk merah (1450 rpm) = 1,54 + 1450 1400 1600 1400 Merk merah (1450 rpm) = 1,54 + 0,25. (0,17) Merk merah (1450 rpm) Perb. putaran (1450 rpm) = 1.5825 Kw = 0,18 + 1450 1400 1600 1400 Perb. putaran (1450 rpm) = 0,18 + 0,25. (0,02) Perb. putaran (1450 rpm) P o P o = 1.5825 Kw + 0.185 Kw = 1.7675 Kw = 0.185 Kw. (1,71 1,54 ). (0,20 0,18 )
68 Menghitung sudut kontak θ θ = 180 Dp dp C = 180. 57 196.78 mm 95 mm 300 mm θ = 180 19.3382. 57 θ = 160.6618 Menghitung jumlah V-belt N = N = N Pd Po. Ko 1,2 Kw 1,7675 Kw. 0,96 = 0.70721 1 unit Menghitung panjang V-belt L = 2. C + π 2 L = 2. 300 mm + π 2 95 mm)² Dp + dp + 1 4C (Dp dp)² 196.78 mm + 95 mm + 1 4. 300 mm (196.78 mm L = 600 mm + 458.3269 mm + 8.6326 mm L = 1066.9595 mm
69 Hasil perencanaan belt V-belt menggunakan type A No. 42 (inch) dp = 95 mm Dp = 196,78 mm N = 1 unit
70 4.2 Perancangan Detail Alat Fisioterapi Treadmill 1 2 3 4 5 6 10 9 Gambar 22. Hasil Perancangan Akhir Keterangan gambar : 1. Tiang penahan beban 2. Safety hardness 3. Pasien 4. Rangka atas (pegangan pasien) 5. Dek 6. Bearing unit 7. Belt Konveyor 8. Roller 9. Transmisi dan penggerak (Puli, belt dan motor) 8 7
71 10. Rangka bawah Perancangan detail alat fisioterapi treadmill disajikan dalam lampiran gambar teknik. Dimulai dari part yang standar dan part yang akan dibuat. Part standar antara lain : Walking belt, dek, motor listrik, baut dan mur, puli, belt, bearing dan safety hardness Part yang akan dibuat antara lain : Tiang penahan beban, rangka bawah, rangka atas, roller konveyor Prinsip kerja alat ini menggunakan ban berjalan (conveyor), pasien berjalan diatas conveyor dengan dipasangkan alat kemanan (body hardness) untuk menahan beban pasien, dan alat pegangan untuk menjaga keseimbangan pasien ketika berjalan. Sebelum memulai proses pastikan kondisi alat siap untuk proses, (mulai dari motor, belt, tiang penahan) untuk keselamatan pasien. Latihan berjalan pasien wajib dibimbing seorang fisioterapis. 4.3 Kontrol kelistrikan proses alat fisio treadmill Kontrol merupakan bagian yang penting dari alat fisio treadmill. Kontrol dan kelistrikan dari alat ini merupakan control yang sederhana meliputi inverter sebagai pengatur frekuensi motor, emergency stop merupakan penghubung dan pemutus arus dari sumber, dan switch button merupakan penghubung arus dari inverter ke motor. Berikut wiring kelistrikan alat fisio treadmill
72 4.4 Analisis hasil rancangan Analisis tegangan yang terjadi pada tiang penahan ketika diberikan beban 1000N, berupa simulasi menggunakan software Catia V5R19. Material menggunakan baja ST 37 (mild steel), yang banyak digunakan di pasaran. Tabel 4. Properti Baja ST37 (Sumber : Jurnal Teknik Mesin S-1. 3(1) : 23 29) Analisa menggunakan pendekatan Von Mises dengan membandingkan Nilai tegangan maksimum yang terjadi dengan kekuatan luluh material. Dimana : σ e maksimum S y N (34) σ e N : Tegangan yang terjadi awal kerusakan/kegagalan : Faktor keamanan Agar material tidak terjadi kegagalan maka tegangan equivalent (tegangan Von-Mises) yang terjadi tidak boleh melebihi dari ( Sy / N ), jika tegangan equivalent atau tegangan Von Mises masih di bawah tegangan yang diijinkan, dengan kata lain rangka aman untuk digunakan. Analisa yang dilakukan sebagai berikut :
73 Beban 1000 N Tegangan Maksimum 49216040 N/m 2 Tegangan Minimum 4921604 N/m 2 Gambar 21. Gambar Analisa Tiang penahan Beban (Pendekatan Von Mises) Dari hasil analisa tegangan menggunakan software software Catia V5R19, didapatkan tegangan minimum yang terjadi pada tiang penahan adalah 4921604 N/m 2 dan tegangan maksimum yang terjadi adalah 49216040 N/m 2, Kekuatan luluh material adalah 220594000 N/m 2, Dimana : σ e maksimum S y N 49216040 N/m² 220594000 N/m². 4 49216040 N/m² 55148500 N/m 2 Hasil analisis tegangan tiang penahan dinyatakan aman (rancangan aman)