BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Analisa Kinematika Dan Dinamika Connecting Rod Motor Bakar Satu Silinder Honda Revo
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pendahuluan
Bab ini memberikan gambaran umum tentang latar belakang pengertian pembangkitan gaya pada mekanisme sebuah mesin bolak-balik (reciprocating
engine ).
1
2
1 Gambar 2.1 Reciprocating Engine
Dari gambar :
1. Piston
3. Poros engkol
2. Connecting rod
Gambar 2.2 Diagram benda bebas mekanisme engkol luncurDari gambar 2.2 menunjukkan diagram benda bebas sebuah mekanisme engkol luncur. Torak P yang mengalami percepatan akan menghasilkan gaya inersia (F ), F merupakan gaya inersia yang bekerja pada pusat torak P, yang
i i
besarnya adalah F i = m p . a p , dimana m p massa keseluruhan piston dan a p adalah
jumlah gaya inersia
percepatan piston. Sehingga gaya yang menekan piston F px yang bekerja pada piston dan tekanan gas yang dihasilkan pada pembakaran pada permukaan piston. Gaya ini mengakibatkan poros engkol bergerak dengan
. Dan juga mengakibatkan batang penghubung (connecting
1
kecepatan konstan ω
rod ) 2 dan mengalami percepatan angular
bergerak dengan kecepatan angular ω 2 . α
2.2. Mekanisme Engkol Peluncur
Motor bakar satu silinder menggunakan mekanisme engkol luncur dalam pengoperasiannya. Untuk aplikasi mekanisme ini pada sebuah motor bakar, usaha hasil pembakaran bahan bakar dan oksigen berekspansi akan mendorong torak yang dilanjutkan ke batang penghubung yang akan memutar poros engkol, yang kemudian diidealisasikan akan menghasilkan putaran konstan dengan bantuan sebuah roda gila (fly wheel).
Gambar 2.3 memperlihatkan skema dari mekanisme engkol peluncur horizontal. O adalah kerangka tetap, R adalah radius poros engkol yang bergerakrotasi yang terpusat di O dan L adalah batang penghubung dan P adalah peluncur, yang mana pada kasus ini torak meluncur sepanjang silinder atau bergerak translasi. θ adalah sudut gerak poros engkol. η adalah sudut perubahan batang hubung terhadap torak. Dan G adalah titik berat batang hubung.
Gambar 2.3 Geometri mekanisme engkol luncur2.3. Persamaan Kecepatan, dan Percepatan Angular Connecting Rod TMA
R L L Sin η = R Sin θ
X R + L
Gambar 2.4 Geometri engkol peluncurPerubahan sudut η tiap satuan waktu merupakan kecepatan angular
connecting rod dan tiap perubahan kecepatannya merupakan percepatan angular
connecting rod . Persamaan ini didapat berdasarkan (Theory of Machine, Rs.
Khurmi dan J.K. Gupta) Dengan menggunakan persamaan sinus pada OCP, seperti pada gambar 2.4.
Dimana
Didapatkan kecepatan angular connecting rod , (2.1)
Dengan mensubsitusikan persamaan ke persamaan diatas dapat ditulis persamaan kecepatan angular connecting rod , Dengan menyederhanakan (2.2)
Turunan pertama kecepatan angular connecting rod PC terhadap waktu adalah percepatan angular PC.
Dengan menurunkannya terhadap waktu, dan memecah persamaan diatas menjadi beberapa, sehingga memudahkan perhitungan.
Turunan kecepatan angular connecting rod dapat ditulis sebagai berikut.
Bagian 1.
Karena kecepatan angular poros engkol adalah tetap, maka percepatan angular poros engkol dianggap konstan atau 0
Bagian 2. Bagian 3. Bagian 4. Dengan menjumlahkan tiap bagian, sehingga didapatkan turunan kecepatan angular connecting rod terhadap theta (θ).
Dengan menyederhanakannya,
Maka persamaan diatas dapat ditulis, Sehingga, Dengan menurunkannya terhadap waktu, maka percepatan angular connecting rod Percepatan angular connecting rod,
(2.3) Dengan arah percepatan angular connecting rod berlawanan jarum jam.
2.5. Persamaan Percepatan Titik Berat Pada Connecting Rod
Gambar 2.5 Posisi Titik Berat Connecting Rod Pada Mekanisme Engkol LuncurUntuk menentukan gaya inersia pada titik G atau pusat gravitasi connecting rod, kita perlu menentukan percepatan absolut pada titik G. Pada sub-bab ini akan ditentukan percepatan G dimana saja berdasarkan perubahan sudut yang dibentuk
connecting rod terhadap poros engkol. Dengan mengacu pada percepatan pada
th titik C. Dan berdasarkan referensi (vector mechanic dynamic, 9 Ed. F.Beer).(2.4) Dimana, a c adalah percepatan pada titik C, dan r g/c adalah posisi dimana saja disepanjang connecting rod. Dengan melihat gambar 2.5, titik C bergerak rotasi berpusat pada titik O. C
ω
1 R
θ
O
Gambar 2.6 Posisi vector C
r c merupakan letak atau posisi titik C, atau merupakan sambungan poros engkol
dan connecting rod.Dengan menurunkan persamaan posisi pada titik C dua kali didapatkan persamaan percepatan pada titik C atau a
c
(2.5) Untuk mencari persamaan percepatan titik berat pada poros engkol, dan karena jarak titik berat poros engkol adalah R/2, maka percepatan titik berat pada poros engkol adalah.
(2.6) Untuk menentukan r g/c sepanjang connecting rod CP dapat dilihat pada gambar 2.6 dimana CG adalah u.
C
η
G
θ η
P O
Gambar 2.7 Posisi vector G(2.7) Kemudian persamaan (2.5) dan persamaan (2.7) disubsitusikan kepersamaan (2.4) didapatkan, persamaan percepatan titik G.
Untuk percepatan horizontal pada titik G, (2.8)
Dan untuk percepatan vertikal pada titik G, (2.9)
2.6. Analisa Gaya Pada Main Bearing
Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada peluncur dapat dilihat pada gambar 2.8.
Fp
y m p a pFp x Fg
PWp
N
Gambar 2.8 Diagram benda bebas pistonPada gambar 2.8 dapat dilihat bahwa F PY merupakan gaya yang terjadi pada titik P untuk komponen vertikal dan F PX merupakan gaya yang terjadi pada titik P untuk komponen horizontal. Karena HONDA REVO menggunakan mesin untuk tipe horizontal, sehingga gaya yang ditimbulkan akibat pembakaran gas F g dan gaya inersia yang ditimbulkan m a dikategorikan menjadi komponen horisontal.
p p
Sehingga, (2.10)
Sedangkan pada komponen vertikal terdapat berat piston w p dan N gaya yang bekerja pada dinding silinder.
Untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung atau connecting rod dapat dilihat pada gambar 2.9.
m .a c cgy Fc x C
- I zz .α 2 G m c .a cgx Fp y Fc y
- Adams/ Car • Adams/ Chassis • Adams/ Driveline • Adams/ Flex • Adams/ Insight • Adams/ PostProcessor
- Adams/ View Pada analisa kinematika dan dinamika mekanisme engkol luncur akan menggunakan salah satu produk adams yaitu Adams/ View. Adams/ View adalah produk Adams yang sangat powerful dalam bentuk pemodelan dan simulasi. Pengguna Adams dapat membangun dan mensimulasikan sebuah model yang memiliki part yang bergerak. Berikut penggunaan Adams/ View : Start menu, Programs, MSC.Software, MD Adams 2010, AView, Adams - View
- Earth Normal : Gravitasi normal sebesar 1 G • No Gravity : Tidak menggunakan gravitasi
- Other 3.
- MMKS : millimeter, kilogram, secon
- MKS : meter, kilogram, second
- CGS : centimeter, gram, dyne
- IGS : inci, slug, pound gaya 4.
η Wc Fp x
P
Gambar 2.9 Diagram benda bebas connecting rodDari gambar 2.9 dapat dilihat connecting rod CP, yang mengalami percepatan angular yang arahnya searah sumbur-z menimbulkan momen inersia I zz . Pada
connecting rod CP juga terdapat gaya yang terbagi menjadi komponen vertikal
dan horizontal. F CX merupakan gaya pada titik C untuk komponen horizontal, sedangkan pada komponen horizontal terdapat F dan m .a yang merupakan
PX c cgx
gaya inersia untuk komponen horizontal pada connecting rod. Sedangkan F CY yang merupakan gaya pada titik C untuk komponen vertikal. Komponen vertikal pada batang hubung ini adalah W C berat batang hubung dan m c .a cgy gaya inersia untuk komponen vertikal.
(2.11)
(2.12) Karena F dan F belum diketahui, dengan menggunakan momen pada titik G.
CY PY
Karena U + S = L, maka (2.13)
Sehingga dapat diketahui F CY , (2.14) I zz didapat dari hasil pengukuran dengan menggunakan software SOLIDWORKS.
Fcy m .a pe gpy Fcx m pe .a gpx Frx
Wpe Fry
Gambar 2.10 Diagaram benda bebas poros engkolGambar diatas merupakan diagram benda bebas untuk poros engkol, analisa yang dilakukan pada poros engkol dengan mengganggap titik berat poros engkol R/2, dan poros engkol tanpa beban imbang counter weight. Karena poros engkol dianggap berputar pada kecepatan konstan, sehingga percepatan sudut poros engkol dianggap nol.
2.7. Analisa Torsi
Analisa torsi kali ini berdasarkan referensi dari jurnal seperti yang terdapat pada lampiran. Dimana torsi yang terjadi pada mekanisme engkol luncur kali ini adalah gaya-gaya komponen horizontal F CX dan vertikal F CY pada titik C dikalikan panjang dari poros engkol itu sendiri.
F CY F CX C T R θ
O
Gambar 2.11 Diagram benda bebas crankshaftSedangkan untuk memperoleh gaya yang ditimbulkan oleh gas dengan menggunakan tekanan efektif rata-rata pada siklus otto.
2.8. Gaya Tekan Pada Permukaan Piston
Pada siklus Otto, energy yang dihasilkan berasal dari pembakaran antara campuran bahan bakar. Hasil pembakaran akan menghasilkan tekanan gas yang menekan piston, kemudian diteruskan sampai poros engkol untuk menghasilkan tenaga. Gaya tekan pada siklus Otto bergantung pada tekanan gas yang terjadi akibat ledakan dari pembakaran bahan bakar. Karena selama siklus Otto tekanan dan temperatur selalu berubah-ubah tiap perubahan sudut gerak poros engkol maka sebaiknya dicari harga tekanan konstan yaitu tekanan efektif rata-rata.
th
Gambar 2.12 Siklus OTTO (sumber : Thermodynamic 6 , Cengel)Untuk menghitung tekanan gas rata-rata yang terjadi pada siklus Otto dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Internal Combustion Engine
Fundamentals , Heywood John-B)
(2.15) Dimana,
P = Daya efektif (kW) Peff = mean efektif pressure (kPa)
3 V = Volume silinder (dm ) d N = Putaran poros engkol (R.P.S) n R = 2 (Motor 4 tak)
Dan secara matematis gaya yang ditimbulkan hasil pembakaran pada permukaan torak adalah, (2.16)
Dimana,
A = Luas permukaan kepala piston
2 = (π/4).D D = Diameter piston (cm)
2.9 Md ADAM
Berdasarkan Md Adams Help, Md adams adalah software MSC berbasis
Computer Aided Engineering (CAE) yang fungsi utamanya motion analysis and
dynamic analysis multi disiplin ilmu yang mengintegrasikan sistem-sistem seperti
komponen-komponen mekanik, pneumatik, hidrolik, elektronik dan sistem kontrol teknologi yang memungkinkan para insinyur untuk membangun dan menguji prototipe secara virtual menjelaskan interaksi antara subsistem.
Md adams software yang dapat meningkatkan efisiensi teknik dan dapat mengurangi biaya pengembangan produk dengan melakukan validasi lebih awal.
Insinyur dapat mengevaluasi dan mengelola interaksi tiap disiplin ilmu seperti gerakan, aktuasi, dan pengendalian agar produk bekerja lebih optimal seperti kinerja, keamanan, dan kenyamanan. Seiring dengan kemampuan analisis yang luas Produk-produk yang terdapat pada MD Adams 2010 diantaranya :
Membuat Model Saat memulai adams/ View, adams/ View akan menampilkan window berupa
welcome dialogue box yang memberi pilihan pada pengguna apakah membuat
sebuah model yang baru atau membuka model yang telah ada.1. Memilih salah satu pilihan yang terdapat pada window seperti pada tabel berikut :
Tabel : Tampilan pilihan pada window ADAMS/ VIEW
Pilihan Pada Tabel Fungsi
Create a New Model Membuat sebuah model yang baru Open an Existing Database Membuka model yang telah ada
Import File Membuka model dari database adams
yang telah ada. Exit Keluar dari adams/ View 2.Jika memilih membuat model yang baru, terdapat pilihan penggunaan gravitasi pada model,
Menyeleksi satuan yang akan digunakan.
Pilih OK Proses Pemodelan Tahap-tahap pada pengerjan adams/ View adalah :
Build Test Review Improve
Gambar 2.14 Proses pemodelanTahap pertama yang dilakukan adalah membangun model, melakukan percobaan pada model, peninjauan pada model, dan dilakukan pengembangan terhadap model jika diperlukan.
Adams/ View Berikut tampilan adams/ View pada jendela utama.
Gambar 2.15 Window pada ADAM/ ViewTool Box Adams/ View Tabel : Deskripsi Tool
Ikon Deskripsi
Tool seleksi
Pemodelan bentuk-bentuk geometri
pengukuran Undo dan Redo Tool sambungan simulasi Tool pewarna motor penggerak
animasi
Move Tool Forces
Menampilkan model dalam satu window Menampilkan model saat diseleksi
Menampilkan model pada titik pusat model Merotasi model
Increment Entering a value lets you more precisely control the view display changes, such as zooming and rotations.
Se
Grid Se Depth
Se
Render Se Icons Toggles the display of icons.