31
BAB III ANALISA DINAMIK DAN PEMODELAN SIMULINK CONNECTING ROD
Dalam tugas akhir ini, peneliti melakukan analisa dinamik connecting rod. Geometri connecting rod sepeda motor yang dianalisis berdasarkan parameter. Selanjutnya
geometri tersebut digambarkan di software solidworks. Peneliti mendapatkan referensi dari buku, jurnal, dan internet. Menggunakan referensi - referensi sebagai dasar yang dapat
menunjang penelitian dan mengikuti bimbingan dan arahan dari dosen pembimbing. Setelah proses penggambaran geometri dan perhitungan selesai, peneliti
memasukkan kondisi-kondisi batas dan beban-beban dinamis yang bekerja untuk analisa yang dilakukan. Kemudian proses analisa dalam hal ini analisa dinamik connecting rod
dijalankan dan software akan memperlihatkan hasil analisa yang sedang berlangsung. Hasil analisa dengan software yang sudah selesai kemudian di bandingkan dengan perhitungan
manual dan hasil matlab. Setelah itu kita bisa membandingkan hasilnya. Sebelum kita memulai suatu perancangan, akan lebih baik apabila kita membuat
langkah pengerjaan yang akan kita lakukan terlebih dahulu. Hal ini akan mempermudah dalam melakukan suatu perancangan.
3.1 Diagram Alir Penelitian
Pada bab ini akan dibahas mengenai tahap-tahap analisa dinamik kinematika dan kinetika pada connecting rod. Adapun langkah – langkah diagram alir penelitian
analisa dinamik connecting rod, untuk lebih jelasnya lihat gambar 3.1 :
32
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian.
M ulai
M engkonversi file3D solidwork ke dalam file xm l M engimport file xm l ke dalam sim m echanic
M em buat interkoneksi blok sim m echanic dan Simulasi dengan sim m echanic
Simulasi dengan sim m echanic
Plot hasil sim ulasi
Analisa grafik plot hasil sim ulasi dan validasi jurnal M engambil data geom et ri, m assa, dan inersia
Kesim pulan dan saran
Selesai Ya
Tidak Pemodelan 3D m ekanism e slider-crank dengan
m enggunakan solidwork
Pengam bilan data hasil analisa
Apakah hasil sim ulasi bisa dit erim a?
33
3.2 Analisa Kinematika dan Kinetika Connecting Rod
Saat mekanisme slider crank bekerja dengan kecepatan tinggi, komponen didalamnya akan mengalami deformasi. Deformasi plastis pada komponen-komponen
tersebut dapat mengakibatkan kegagalan atau kerusakan saat mekanisme slider crank bekerja. Maka pada penelitian ini, analisa dilakukan dengan mengasumsikan crankshaft,
connecting rod, dan piston sebagai benda tegar. Benda tegar rigid body adalah kondisi dimana deformasi yang terjadi pada komponen-komponen mekanisme slider crank
diabaikan. Rigid body atau benda tegar adalah kondisi dimana deformasi yang terjadi pada
komponen-komponen mekanisme slider crank diabaikan. Analisa connecting rod pada mekanisme single-cylinder secara analitik, di analisa dengan Gambar 3.2 merupakan
gambar sederhana dari sebuah mekanisme slider crank.
Gambar 3.2 Mekanisme slider crank. Kecepatan dan percepatan angular berdasarkan sudut dan
dapat ditulis menjadi :
= ;
= =
3.1
= ;
= =
3.2 Sudut dan menjadi :
sin
β
=
3.3
34
3.2.1 Kinematika Connecting Rod
Kinematika connecting rod dipengaruhi oleh gerak rotasi crankshaft pada bagian big end connecting rod dan gerak translasi yang dihasilkan piston pada bagian small end.
Gambar 3.4, menunjukkan hubungan antara 3 komponen slider crank tersebut. Dimana L1 dan L2 adalah panjang crankshaft dan connecting rod, Lg merupakan jarak pusat massa
connecting rod Gr dari big end. Kemudian ,
, dan secara berturut-turut adalah
massa crankshaft, massa connecting rod, dan massa piston. Saat piston bergerak membentuk jarak
terhadap pusat crankshaft, maka akan terbentuk sudut θ, yaitu sudut antara crankshaft dan bidang horizontalnya di titik A dan
sudut β, yaitu sudut antara connecting rod dan bidang horizontalnya di titik C.
Sudut connecting rod, dihubungkan ke adalah :
sin
β
=
3.4
=
3.5 Kecepatan angular dan percepatan angular di turunkan terhadap waktu :
=
3.6
=
3.7
+ = 1
3.8
= 1
− 3.9
= 1
− 3.10
= 1
− 3.11
1
−
=
3.12
35
=
3.13
=
⎝ ⎜
⎛ ⎠
⎟ ⎞
=
⎝ ⎜
⎛ ⎠
⎟ ⎞
3.14
=
⎝ ⎜
⎜ ⎜
⎛
⎝ ⎜
⎛ ⎠
⎟ ⎞
⎠ ⎟
⎟ ⎟
⎞ 3.15
=
⎝ ⎜
⎛
+
⎠ ⎟
⎞ 3.16
Percepatan connecting rod, dihitung dari deferensial persamaan 3.13 bergerak terhadap
waktu untuk dan
dari persamaan 3.1 dan 3.2.
= +
3.17
Pusat massa connecting rod di A, arah X dan Y kemudian terbentuk persamaan :
= +
3.18
=
− 3.19
Substitusi untuk persamaan Sin dan Cos dari persamaan 3.3 dan 3.11 ke persamaan 3.18 dan 3.19 :
= +
1
− 3.20
=
− 3.21
36
Kecepatan linier pusat massa connecting rod , arah X dan Y dideferensialkan ke
persamaan 3.20 dan 3.21 terhadap waktu :
=
differensial persamaan 8 3.22
=
− −
3.23
=
differensial persamaan 9 3.24
=
− 3.25
Deferensial persamaan 3.23 terhadap waktu akan didapat dalam percepatan linier pada pusat massa connecting rod pada arah X adalah
:
=
3.26
=
− −
−
⎝ ⎜
⎜ ⎜
⎛
⎝ ⎜
⎛ ⎠
⎟ ⎞
⎠ ⎟
⎟ ⎟
⎞ 3.27
=
− −
− ⎝
⎜ ⎜
⎛ ⎝
⎜ ⎛
⎠ ⎟
⎞ −
+
⎠ ⎟
⎟ ⎞
3.28
37
=lokasi piston 3.29
= +
1
− 3.30
= kecepatan linier piston arah x adalah defferensial dari
=
3.31
=
− 3.32
=
− −
3.33
= percepatan linier piston arah x adalah deffrensial dari
=
−
⎝ ⎜
⎛ ⎠
⎟ ⎞
3.34
=
−
+
3.35
=
− −
− −
− 3.36
38
=
− −
− −
⎝ ⎜
⎛
2 2
1
−
+
⎠ ⎟
⎞ 3.37
=
− −
− −
⎝ ⎜
⎛
2 2
1 +
⎠ ⎟
⎞ 3.38
3.2.2 Kinetika Connecting Rod
Analisa kinetika connecting rod dimulai dari memperhitungkan gaya yang bekerja pada piston. Hal ini dikarenakan mekanisme slider-crank dimulai dengan
bertranslasinya piston. Selain itu, dipengaruhi pula oleh tekanan yang terjadi pada ruang bakar. Untuk gaya gesek piston terhadap silinder dapat diabaikan.
Pada gambar 3.3 adalah gambar dimana piston bergerak searah dengan sumbu x, maka dapat di gambarkan kedalam diagram benda bebas seperti gambar dibawah ini
gambar 3.3.
39
Gambar 3.3 Diagram benda bebas piston. Gambar 3.3 piston bergerak searah dengan sumbu x, sehingga gaya yang bekerja
pada piston adalah
= +
3.39 Jika
tekanan pada ruang bakar = , maka
= =
3.40 Jadi gaya piston arah x
adalah,
= +
3.41 Dimana
adalah massa gabungan antara piston, pin piston, dan piston ring dan adalah
jari-jari piston. Kemudian subtitusi persamaan 3.38
ke dalam persamaan 3.39 , didapatkan gaya
piston arah x, yaitu
=
− −
−
+
−
⎝ ⎜
⎜ ⎛
⎝ ⎜
⎛
2 2
1
−
+
⎠ ⎟
⎞
⎠ ⎟
⎟ ⎞
3.42
40
=
− −
−
+
−
⎝ ⎜
⎜ ⎛
⎝ ⎜
⎛
2 2
1 +
⎠ ⎟
⎞
⎠ ⎟
⎟ ⎞
3.43
Secara keseluruhan gaya yang bekerja pada connecting rod dapat digambarkan sebagai berikut liat gambar 3.4 di bawah ini.
Gambar 3.4 Diagram benda bebas gaya connecting rod. Dimana
dan adalah gaya yang terjadi pada small end connecting rod pada sumbu x.
merupakan momen inersia pada pusat massa, dan
merupakan gaya yang bekerja pada sambungan antara connecting rod dan crankshaft. Sehingga
dan dapat ditulis
menjadi :
= +
3.44
= +
− 3.45
41
dan merupakan gaya yang digambarkan pada system koordinat secara umum, dimana
system koordinat ini tidak berputar dengan crankshaft. Sedangkan gaya yang system koordinatnya terletak pada crankshaft dapat ditulis menjadi :
= cos
−
sin
3.46
= cos
+ sin
3.47
3.2.3 Torsi Saat Mekanisme Bekerja
Torsi dihasilkan dari hasil langkah kerja ruang bakar. Oleh karena itu untuk mengetahui torsi dari hasil kerja mekanisme slider crank, diperlukan perhitungan
kinematika dan kinetika pada sebuah komponen mekanisme slider crank. Torsi mekanisme slider crank dapat diketahui dengan menentukan gaya yang bekerja pada sambungan
crankshaft dan connecting rod, seperti pada persamaan 3.48. Dimana
dan merupakan gaya hasil kerja dari piston yang dihubungkan
oleh connecting rod. Gaya dan
akan memutar balik crankshaft dengan kecepatan tertentu, tergantung jarak gaya tersebut dengan pusat rotasinya. Gambar 3.5 adalah arah
torsi yang dihasilkan dari gaya dan
.
Gamba 3.5 Diagram benda bebas torsi crankshaft.
42
Maka torsi saat mekanisme slider crank bekerja adalah :
=
3.48 Torsi yang dimaksud disini adalah torsi keseluruan dari hasil kerja makanisme
slider crank. Persamaan 3.48 merupakan persamaan untuk menghitung torsi pada slider crank single cylinder.
3.3 Pemodelan Geometri Connecting Rod dengan Solidwork
Pemodelan geometri connecting rod dilakukan dengan memodelkan mekanisme slider crank single-cylinder in-line menjadi model 3D berdasarkan data geometri aslinya.
Dari gambar 3D tersebut akan dikonversikan kedalam file simmechanic. Kemudian melakukan pemodelan simulasi pada simmechanic 3.0. Untuk pemodelan geometri
connecting rod dengan solidwork dapat dilihat pada gambar 3.6 di bawah ini. Data geometri komponen-komponen tersebut dapat dilihat pada lampiran B.
Gambar 3.6 Model 3D solidwork mechanism slider crank.
43
Gambar 3.7 Model 3D solidwork connecting rod dan piston.
Gambar 3.8 Model 3D crankshaft.
44
Gambar 3.9 Solidwork assembly crankshaft, connecting cod, dan piston. Assembly crankshaft, connecting rod, dan piston pada gambar 3.9
menunjukkan connecting rod yang terhubung dengan pin dan piston jika bergerak akan menghasilkan gerak translasi, sedangkan pada connecting rod yang terhubung
dengan crankshaft akan menghasilkan gerak rotasi. Pada gambar 3.9 tiap komponen-komponen dibuat dari berbagai material dengan sifatnya masing-masing.
Tabel 3.1 merupakan table data sifat dari material baja AISI 4340 yang digunakan pada connecting rod untuk penelitian ini. Material dan sifat dari komponen-
komponen lain dapat dilihat pada lampiran C.
45
Table 3.1 Properti Baja AISI 4340 No
Sifat Material Nilai
Satuan 1
Modulus Elastisitas 1.32258e+008
Nm2 2
Rasio Poisson 0.32
3 Shear Modulus
5.16128e+007 Nm2
4 Koefisien Thermal Expansion
1.23e-005 5
Massa Jenis 0.283599
lbin3 6
Konduktivitas Termal 44.5
Wm.K 7
Kalor Jenis 475
Jkg.K 8
Tensile Strength 716128
Nin2 9
Yield Strength 458064
Nin2
3.4 Pemodelan dengan Simmechanic
