OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA – PICO HYDRO SEBAGAI PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK MENJADI LISTRIK.

OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA – PICO HYDRO
SEBAGAI PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK
MENJADI LISTRIK

SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik

Oleh :
AKHMAD NURDIN
I1413005

JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2016
i

ii

iii

MOTTO

‫ ﺗَﻔْﺼِ ْﯿﻠ ِﮭَﺎ ﻋَﻦْﺳَﺄ ُﻧْﺒ ِ ﯿْﻚَ ﺑ ِﺴِ ﺘ ﱠ ٍﺔإ ِﻻ ﱠ اﻟﻌِ َﻠْﻢ ﺗَﻨ ََﺎل ﻟ َﻦْ أ َﺧِ ﻲ‬:‫َﺎن‬
ٍ ‫ﺳﺘَﺎ ٍذوَ ﺻُ ﺤْ ﺒ َﺔ ُ وَ دِرْ ھَﻢٌ وَ اﺟْ ﺘ ِﮭَﺎ ٌد وَ ﺣِﺮْ صٌ ذَ ﻛَﺎءٌ ﺑ ِ َﺒﯿ‬
ْ ُ‫أ‬
ُ‫زَ ﻣَ ﺎنٍ وَ ط ُﻮْ ل‬
“Wahai saudaraku ilmu tidak akan diperoleh kecuali dengan enam perkara yang
akan saya beritahukan perinciannya, yaitu (1) kecerdasan, (2) semangat, (3)
sungguh-sungguh, (4) berkecukupan, (5) bersahabat (belajar) dengan ulama, dan
(6) membutuhkan waktu yang lama.”
(Imam Asy-Syafi’i)

iv

OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA PICO HYDRO SEBAGAI
PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK MENJADI LISTRIK
AKHMAD NURDIN
akhmadnurdin.89@gmail.com

Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret
Surakarta
Generator akan menghasilkan energi listrik yang optimal apabila terdapat
sistem drive mengirimkan daya dari turbin ke generator dengan arah putaran dan
kecepatan sesuai yang dibutuhkan. Tujuan dari penelitian ini bagaimana
merancang transmisi roda gigi yang diaplikasikan pada PLTA pico hydro.
Terdapat beberapa hal yang diperhatikan dalam merancang transmisi roda gigi,
yaitu tegangan bending dan tegangan kontak pada gigi, serta tegangan geser pada
porosnya yang masing-masing disimulasikan menggunakan ANSYS 14,5. Bahan
yang digunakan untuk membuat roda gigi adalah nylon 6 atau polyamide 6,
sedangkan bahan yang digunakan poros adalah ptfe atau teflon. Selanjutnya jika
desain disetujui, proses manufacture dapat dimulai. Jika proses manufacture
selesai, dilakukan pengujian transmisi pada prototipe pico hydro.
Hasil penelitian didapat adalah rasio total transmisi roda gigi 1:2,65
dengan dua buah pasang roda gigi masing-masing memiliki rasio 1:1,73 dan
1:1,52. Simulasi menggunakan ANSYS 14,5 menunjukkan nilai tegangan bending
terbesar 6,1453 MPa pada roda gigi driven pasangan pertama, tegangan kontak
terbesar 15,415 MPa pada roda gigi driving paangan pertama, tegangan geser

terbesar 1,7688 MPa pada poros output. Pada pengujian transmisi menunjukkan
daya listrik yang dihasilkan transmisi roda gigi lebih tinggi dibandingkan daya
listrik yang dihasilkan transmisi langsung.

Kata kunci : Pico Hydro, Spur Gear, Polyamide 6, Ansys Workbench

v

OPTIMIZATION OF TRANSMISSION FOR PICO HYDROPOWER AS
SUPPORTING CONVERSION MECHANICAL INTO ELECTRICAL
ENERGY

AKHMAD NURDIN
akhmadnurdin.89@gmail.com
Department of Mechanical Engineering
Faculty of Engineering
Sebelas Maret of University
Surakarta
Generator generate optimum electrical energy if drive system sends the
power from turbine to generator with the direction of rotation and speed as

needed. The object of this research is how to design spur gear transmission apply
for pico hydropower. There are several point to design spur gear transmission,
i.e. the bending stress and contact stress on the teeth, and shear stress on the
shaft. The strength of the tooth and shaft, simulation using by Ansys Workbench
14.5. Materials used to manufacture gears is nylon 6 or polyamide 6 and the shaft
material is teflon or ptfe. Furthermore if design allowable the process of
manufacture can be begin, and if manufacture finished, carried testing
transmission on the pico hydropower prototype
The result of this research are the design spur gear transmission have
total gear ratio 1: 2.65 with two pairs of gears each 1: 1.73 and 1: 1.52. Simulate
using by Anys Workbench 14.5 shows the value largest bending stress 6,1453
MPa on the gear driven first mate, the contact stress 15,415 MPa on the gears
driving first mate, and shear stress 1,7688 MPa on the output shaft. Experimental
test the transmission show the gear transmission produce electric power higher
than the electric power produced by direct transmission.

Keyword : Pico Hydro, Spur Gear, Polyamide 6, Ansys Workbench

vi

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT,
yang senantiasa melimpahkan rahmat, hidayah serta kekuatan kepada Penulis,
sehingga

Penulis

dapat

melaksanakan

penelitian

dan

menyelesaikan

laporan Tugas Akhir dengan judul, “Optimalisasi Transmisi PLTA - Pico
Hydro sebagai Penunjang Konversi Energi Mekanik menjadi Listrik” sebagai

salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak memperoleh
bantuan dari berbagai pihak yang sangat berarti demi kesempurnaan
Tugas Akhir ini. Oleh sebab tersebut pada kesempatan ini penulis
mengucapkan rasa terima kasih kepada:
1. Bapak Dr.Eng.Syamsul Hadi, ST ,MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
UNS.
2. Bapak Prof.Dr.Dwi Aries Himawanto, S.T.,M.T., selaku Pembimbing I
tugas akhir, atas bimbingan, nasehat, kesabaran, motivasi dan ilmu
pengetahuan yang diajarkannya.
3. Bapak D. Danardono DPT, ST., MT., Ph.D., selaku Pembimbing II tugas
akhir, atas bimbingan, nasehat, dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya.
4. Bapak Sukmaji Indro Cahyo, ST., MT., selaku Pembimbing teknis dan
lapangan, atas bimbingan, nasehatnya.
5. Bapak Eko Prasetya Budiana, ST ,MT, selaku Pembimbing Akademik.
6. Bapak-bapak dosen dan staf karyawan di lingkungan Teknik Mesin UNS,
atas didikan, nasehat, ilmu yang diajarkan dan kerjasamanya.
7. Ayah, Ibu dan kakak yang selalu memberikan dorongan semangat dan doa
kepada Penulis terima kasih untuk kasih sayangnya.

8. Teman-teman Teknik Mesin transfer angkatan 2013 dan teman-teman
Teknik Mesin UNS.
9. Seluruh pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
termasuk bengkel las Pak Yadi dan warga kaplingan RT 02.

vii

Dengan

segenap bantuan dan dukungan yang telah diberikan

kepada penulis semoga akan mendapat limpahan berkah dari Allah SWT.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih belum dapat dikatakan
sempurna, untuk itu dengan sangat dan rendah hati penulis menerima
kritikan maupun saran yang membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir
tersebut. Akhir kata penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi
para pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya.

Surakarta, Januari 2016

Penulis

viii

DAFTAR ISI

ABSTRAK ................................................................................................ v
KATA PENGANTAR .............................................................................. vii
DAFTAR ISI ............................................................................................ ix
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ xi
DAFTAR TABEL .................................................................................... xii
DAFTAR NOTASI................................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................ 1
1.2 Perumusan Masalah ..................................................................... 3
1.3 Tujuan Penelitian......................................................................... 3
1.4 Batasan Masalah.......................................................................... 3
1.5 Manfaat Penelitian ....................................................................... 4
1.6 Metode Penulisan ........................................................................ 4
BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka ......................................................................... 6
2.2 Dasar Teori.................................................................................. 9
2.2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air Pico Hydro ........................ 9
2.2.2 Transmisi Roda Gigi ........................................................... 11
2.2.3 Macam-Macam Roda Gigi (Gear) ...................................... 13
2.2.4 Dasar perhitungan mekanika roda gigi ................................ 19
2.2.5 Poros dan Pasak .................................................................. 23
2.2.6 Nylon dan PTFE ................................................................. 25
2.2.7 Generator ............................................................................ 26
2.2.8 Metode Elemen Hingga ...................................................... 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Peralatan yang Digunakan ........................................................... 28
3.2 Dinamometer............................................................................... 28
3.3 Daya Turbin ................................................................................ 29
3.4 Perbandingan Transmisi .............................................................. 29
3.5 Metode Elemen Hingga ............................................................... 30
3.5.1 Permodelan Geometri ......................................................... 30
3.5.2 Kondisi batas ...................................................................... 31
3.5.3 Meshing .............................................................................. 31
3.6 Pengujian Transmisi .................................................................... 32

3.7 Garis Besar Pelaksanaan Penelitian ............................................. 32
BAB IV HASIL DAN ANALISA
4.1 Perencanaan dan Perhitungan Transmisi ...................................... 34
4.1.1 Perencanaan Spur Gear....................................................... 34
4.1.2 Perencanaan Poros dan Pasak.............................................. 37
4.2 Distribusi Tegangan .................................................................... 39
4.2.1 Tegangan Roda Gigi ........................................................... 39
4.2.2 Tegangan Poros .................................................................. 43

ix

4.3 Pengujian Transmisi .................................................................... 46
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ................................................................................. 48
5.2 Saran ........................................................................................... 48
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 49
LAMPIRAN ............................................................................................. 51

x

DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Sumber energi baru dan terbarukan Di Indonesia (BPPT, 2014) . 1
Table 1.2 Klasifikasi PLTA berdasarkan dayanya (Ho-Yan, 2012)............. 2
Table 2.1 Klasifikasi PLTA berdasarkan dayanya (Ho-Yan, 2012) ............ 9
Tabel 2.2 Perbandingan pemilihan turbin berdasarkan karakteristiknya 10
(Ho-Yan, 2012) ........................................................................... 10
Tabel 2.3 Standar proporsional roda gigi lurus (Khurmi dan Gupta, 2005) . 19
Tabel 2.4 Nilai service factor (C ) (Khurmi dan Gupta, 2005) .................... 20
Tabel 2.5 Nilai y Lewis Factor (Khurmi dan Gupta, 2005) ......................... 21
Tabel 2.6 Nilai faktor dinamis (Sularso, 1997) ........................................... 21
Tabel 2.7 Faktor koreksi daya yang dipindahkan ........................................ 23
Tabel 2.8 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros .................................. 25
Tabel 2.9 Sifat kekuatan mekanik nylon 6 atau Polyamide 6 ..................... 25
Tabel 2.10 Sifat kekuatan mekanik PTFE atau Teflon ................................ 26
Tabel 4.1 Hasil pengujian transmisi ........................................................... 47

xi

DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Skema pembangkit listrik turbin propeller (Ho-Yan, 2012) ..... 9
Gambar 2.2 Macam-macam turbin implus (Bonhomme, 2004)................... 10
Gambar 2.3 Diagram sederhana gearbox (Bhatia, 2012) ............................. 11
Gambar 2.4 Rangkaian sederhana roda gigi (Bhatia, 2012) ........................ 12
Gambar 2.5 Rangkaian compound (gabungan) (Bhatia, 2012) .................... 13
Gambar 2.6 Rangkaian Planetary/Epicyclic (Bhatia, 2012) ........................ 13
Gambar 2.7 Spur Gear (Cheng, 2011) ........................................................ 14
Gambar 2.8 Helical Gear (Cheng, 2011) .................................................... 14
Gambar 2.9 Bevel gear (Chan, 2011) ......................................................... 15
Gambar 2.10 Worm gear (Cheng, 2011)..................................................... 15
Gambar 2.11 Terminology roda gigi (Bhatia, 2012) ................................... 17
Gambar 2.12 Penampang permukaan roda gigi (Bhatia, 2012) ................... 17
Gambar 2.13 Pemilihan module roda gigi lurus (Sularso, 1997) ................. 18
Gambar 2.14 Gaya-gaya pada gigi (Khurmi dan Gupta, 2005) ................... 19
Gambar 2.15 Tegangan kontak pada roda gigi (Sularso, 2007) ................... 22
Gambar 2.16 Penampang pasak (Chan, 2011) ............................................ 25
Gambar 3.1 Skema rope brake ................................................................... 28
Gambar 3.2 Daya turbin eksperimental ...................................................... 29
Gambar 3.3 Bentuk permodelan roda gigi .................................................. 30
Gambar 3.4 Bentuk permodelan poros ....................................................... 30
Gambar 3.5 Kondisi batas pada roda gigi ................................................... 31
Gambar 3.6 Kondisi batas pada poros ........................................................ 31
Gambar 3.7 Diagram alir penelitian ........................................................... 33
Gambar 4.1 Tegangan bending maksimal roda gigi
driving pasangan pertama .......................................................... 40
Gambar 4.2 Tegangan bending maksimal roda gigi
driven pasangan pertama ......................................................... 40
Gambar 4.3 Tegangan kontak maksimal roda gigi pasangan pertama ......... 41
Gambar 4.4 Nilai keamanan minimal roda gigi pasangan pertama .............. 41
Gambar 4.5 Tegangan bending maksimal roda gigi
driving pasangan kedua ........................................................... 42
Gambar 4.6 Tegangan bending maksimal roda gigi
driven pasangan kedua ............................................................ 42
Gambar 4.7 Nilai keamanan minimal roda gigi pasangan kedua ................. 42
Gambar 4.8 Tegangan kontak maksimal roda gigi pasangan kedua ............ 43
Gambar 4.9 Tegangan maksimal pada poros input ..................................... 44
Gambar 4.10 Nilai keamanan minimal pada poros input............................. 44
Gambar 4.11 Tegangan maksimal pada poros tengah ................................. 45
Gambar 4.12 Nilai keamanan minimal pada poros tengah .......................... 45
Gambar 4.13 Tegangan maksimal pada poros output.................................. 46
Gambar 4.14 Nilai keamanan minimal pada poros output........................... 46

xii

DAFTAR NOTASI

Notasi

E

G
J

r
sf

y

η
θ
σt
τ



Deskripsi
Perbandingan addendum dengan module
Lebar gigi
service factor
Faktor beban lentur
Diameteral Pitch
Modulus Elastisitas
Faktor koreksi daya
Faktor dinamis
Gaya gravitasi
Gear Ratio
Inertia Polar
Faktor tegangan kontak
Faktor besaran torsi
Module
Putaran
Daya
Daya koreksi
Jari-jari
Safety Factor
Torsi
Poisson's ratio
Kecepatan keliling
Gaya tengensial
Faktor Lewis
Jumlah gigi pinion
Jumalh gigi gear/besar
Efisiensi
Kecepatan sudut
Bilangan phi
Pressure angle
Tegangan bending
Tegangan kontak
Tegangan tarik
Tegangan geser

xiii

Satuan
mm
mm
MPa
m/s2
mm4
rpm
Watt
Watt
Mm
Nmm
mm/s
N
%
rad/s
0

MPa
MPa
MPa
MPa