JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SIDANG TUGAS AKHIR: ANALISA KEKUATAN CRANKSHAFT DUA-SILINDER KAPASITAS 650 CC DENGAN MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA YOSA DESIKA WIJAYA (2107 100 134)
Latar Belakang 1. Crankshaft merupakan komponen internal combustion engine yang meng-konversi gerak linear piston atau reciprocating motion menjadi gerak rotasi. 2. Crankshaft menerima beban yang bervariasi ketika berotasi. Variasi beban yang diterima crankshaft didasarkan pada tekanan pembakaran yang diterima piston. 3. Metode simulasi yang dipakai adalah metode elemen hingga (finite element method). Metode elemen hingga adalah metode numerik yang berfungsi membagi objek analisa menjadi sejumlah bagian (finite).
Rumusan Masalah ( Apa yang dapat diajukan sebagai permasalahan? ) Bagaimana cara mengetahui nilai dan letak tegangan maksimum pada crankshaft yang memiliki kondisi firing order berbeda terhadap dua tingkat kecepatan (3800 dan 4500) dengan menggunakan metode elemen hingga? Bagaimana perbandingan nilai tegangan crankshaft di dua tingkat kecepatan tersebut? Bagaimana keamanan crankshaft terhadap beban normal dan beban geser? Bagaimana keamanan crankshaft terhadap beban fatigue?
Tujuan Penelitian ( Apa pentingnya penelitian ini? ) Untuk mengetahui nilai dan letak tegangan maksimum pada crankshaft yang memiliki kondisi firing order berbeda terhadap dua tingkat kecepatan (3800 dan 4500) dengan menggunakan metode elemen hingga. Untuk mengetahui pola distribusi tegangan yang terjadi di tingkat kecepatan 3800 RPM dan 4500 RPM. Untuk mengetahui apakah crankshaft aman terhadap beban fatigue. Untuk mengetahui apakah crankshaft aman terhadap beban normal dan geser.
Batasan Masalah Kondisi pembebanan crankshaft dianggap quasy static. Quasy static loading adalah kondisi pembebanan dimana F(t) yang merupakan gaya fungsi waktu t dimana selang waktu t dianggap cukup lambat sehingga pengaruh gaya inertia dapat diabaikan. Tekanan gas diasumsikan tidak berubah pada tingkat kecepatan engine yang berbeda. Data tekanan gas yang diperoleh penulis dianggap yang paling efisien untuk kecepatan 3800 RPM maupun 4500 RPM. Dan digunakan sebagai data input dalam menganalisa gaya-gaya yang diterima oleh crankshaft. Analisa dilakukan dalam kondisi elastis. Tegangan-tegangan yang terjadi berada di bawah tegangan luluh material.
DASAR TEORI
Tinjauan Pustaka Dynamic Load and Stress Analysis of a Crankshaft Farzin H. Montazersadgh dan Ali Fatemi, The University of Toledo
Tinjauan Pustaka Dynamic Load and Stress Analysis of a Crankshaft Farzin H. Montazersadgh dan Ali Fatemi, The University of Toledo
Hubungan kinematika piston dengan crankshaft Perpindahan piston sudut crankshaft s 1 2 = r 1 cosϕ + λ sin ϕ 2 Kecepatan piston sudut crankshaft 1 v = r ω sinϕ + λ sin 2ϕ 2 Percepatan piston sudut crankshaft ( cosϕ + λ cos ϕ) 2 a = r ω 2
Gaya pada piston Luas permukaan piston: Gaya F ST : A k π = 4 d 2 FK F = ST cosψ Gaya gas: gas ( ) Ak F = P ϕ Gaya F N : F N = FK tanψ Gaya inertia total: F osc ( cosϕ + λ cos ϕ) 2 = m r ω 2 osc Gaya pada piston: F = F + F + F K gas piston conrod
Gaya pada crankshaft Gaya tangensial: F T Gaya radial: F R ( ϕ + ψ ) = F sin = F ST k ( ϕ + ψ ) = F cos = F ST k ( ϕ + ψ ) sin cosψ ( ϕ + ψ ) cos cosψ
Tegangan pada crankshaft Teg. Normal akibat bending Teg. Geser akibat torsi Persamaan dasar: T τ = ρ J J adalah polar moment of inertia Persamaan dasar: My σ = x I I adalah moment of enertia
Teori Kegagalan MAXIMUM SHEAR STRESS THEORY ( MSST ) τ max Sys N Sys adalah tegangan geser material N adalah safety factor DISTORTION ENERGY MAXIMUM σ vm = σ vm 2 2 2 2 2 2 ( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) + 6( τ + τ + τ ) Sy N xx yy yy zz 2 zz xx xy yz zx Sy adalah tegangan yield material N adalah safety factor
ANSYS sebagai software FEA Mampu menganalisa model geometri yang rumit Mampu menganalisa komponen yang memiliki kombinasi jenis material yang berbeda. Mampu menganalisa komponen yang dikenai beban secara tidak merata. Memberikan simulasi mengenai arah deformasi dan distribusi tegangan. PRE-PROCESS POST-PROCESS ANALYSIS
METODOLOGI PENELITIAN
Flowchart Metodologi Penentuan Topik Simulasi Identifikasi Masalah Pemodelan Crankshaft Analisa Data Kesimpulan Studi Literatur Studi Lapangan
Model Crankshaft Jenis Material Spheroidal Graphite Iron Casting Volume : 8.8732e+005 mm³ Massa : 6.3887 kg Radius Crank : 35.5 mm Tensil Strength : 450 Mpa Yield Strength : 280 Mpa Poison ratio : 0.2
Model Piston dan Connecting Rod Massa Piston : 0.4012 kg Massa Conrod : 0.4437 kg Panjang Conrod : 118 mm Max. gas pressure : 10.89 MPa
Grafik Tekanan Gas 0 180 : Langkah Hisap ; 180 360 : Langkah Pembakaran 360 540 : Langkah Ekspansi ; 540 720 : Langkah Pembuangan
Beban pada Crankshaft START Tekanan pembakaran (P), diameter piston, radius crankshaft, panjang conrod, massa piston, massa conrod, kecepatan crankshaft Luas permukaan piston A k π = 4 d 2 F F piston conrod gas Gaya Gas ( ) Ak F = P ϕ Gaya Inertia Piston ( cosϕ + λ cos ϕ) 2 = m r ω 2 piston Gaya Inertia Connecting Rod ( cosϕ + λ cos ϕ) 2 = m r ω 2 conrod Connecting rod ratio r λ = l Gaya pada Pin Piston F = F + F + F k gas piston conrod Sudut Connecting rod λ sinϕ ψ = 2 2 1 λ sin ϕ Gaya Tangensial F T = F k ( ϕ ψ ) sin + cosψ Gaya Radial F R = F k ( ϕ ψ ) cos + cosψ
Beban pada Crankshaft Grafik gaya Ft dan Fr pada tingkat kecepatan 3800 rpm Grafik gaya Ft pada tingkat kecepatan 3800 rpm dan 4500 rpm
Mehing & Boundary Condition
ANALISA DATA
Contoh Hasil Simulasi Distribusi tegangan von-misses dengan sudut crankshaft silinder 1 0 o dan sudut crankshaft silinder 2 360 o pada putaran 3800 rpm
Grafik Tegangan von-misses Grafik distribusi tegangan Von-Misses untuk setiap sudut putaran crankshaft pada tingkat kecepatan 3800 rpm
Grafik Tegangan von-misses Grafik distribusi tegangan Von-Misses untuk setiap sudut putaran crankshaft pada tingkat kecepatan 4500 rpm
Grafik Tegangan von-misses Komparasi nilai tegangan von-misses di tiap titik pengamatan saat crankshaft pada siklus pembakaran
Grafik Tegangan Geser Grafik distribusi tegangan geser untuk setiap sudut putaran crankshaft pada tingkat kecepatan 3800 rpm
Grafik Tegangan Geser Grafik distribusi tegangan geser untuk setiap sudut putaran crankshaft pada tingkat kecepatan 4500 rpm
Grafik Tegangan Geser Komparasi nilai tegangan geser di tiap titik pengamatan saat crankshaft pada siklus pembakaran
KESIMPULAN
Kesimpulan Tegangan von-misses maksimum yang diterima crankshaft adalah sebesar 173.62 MPa dan terjadi saat torsi maksimum atau pada tingkat kecepatan 3800 RPM. Tegangan geser maksimum yang diterima crankshaft adalah sebesar 95.27 MPa dan terjadi saat torsi maksimum atau pada tingkat kecepatan 3800 RPM. Titik pengamatan 2 menerima tegangan von-misses maupun tegangan geser paling besar jika dibandingkan dengan lima titik pengamatan yang lain. Dengan Sy = 280 MPa dan Sys = 210 MPa, crankshaft dinyatakan aman terhadap beban tegangan von-misses maupun beban tegangan geser. Crankshaft aman terhadap beban fatigue oleh tegangan von-misses dengan nilai σm dan σa adalah 88.81 MPa dan 84.81 MPa yang masih berada dalam safe stress line area. Crankshaft aman terhadap beban fatigue oleh tegangan geser dengan nilai τm dan τa adalah 49.14 MPa dan 46.14 MPa yang masih berada dalam safe stress line area. Nilai tegangan von-misses maupun tegangan geser cenderung turun untuk tingkat kecepatan yang semakin tinggi.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SIDANG TUGAS AKHIR: ANALISA KEKUATAN CRANKSHAFT DUA-SILINDER KAPASITAS 650 CC DENGAN MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA ------ Terima Kasih atas Perhatiannya --------