Analisis Simulasi Termal Pada Transmisi Daihatsu Taft Hiline Dengan Fea
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Objek Penelitian
Pada subbab ini akan dibahas tentang objek penelitian yang akan diteliti.
Objek yang diteliti adalah gearbox pada mobil Daihatsu Taft. Menurut sumber
wikipedia, Daihatsu Taft adalah kendaraan berpenggerak 4 roda yang diproduksi
oleh Daihatsu pada tahun 1974 sampai 2007. Di beberapa negara, Taft juga
dikenal dengan Wildcat atau Scat atau Daihatsu Rugger. Generasi pertama Taft
berkode F10 diluncurkan pada tahun 1974. F10 menggunakan mesin bensin 1.0 L
(958 cc) dan transmisi 4 percepatan dengan transfer case 2 mode. Di Indonesia,
Taft F10 diperkenalkan pertama kali pada tahun 1976. Pada tahun 1977, F10
digantikan oleh seri F20 yang menggunakan mesin bensin 12R 1.6 L (1587 cc).
Selain itu, Taft berkodeF50 dengan mesin diesel DG 2.5 L juga diluncurkan. Pada
tahun 1985, Taft F50 digantikan oleh seri F70 dengan mesin diesel berkode DL41
2.8L (2765 cc).
2.1.1 Daihatsu taft F10
Taft pertama kali diluncurkan pada tahun 1974 dan memiliki kode F10.
Taft
F10
dibekali
dengan mesin
bensin 4
segaris 1.0L
(958cc) karburator bertenaga 57 hp (42,5 kW, 58 PS)@ 5500 rpm dengan torsi
78,5 Nm / 58 ft-lb @ 4000 rpm. Penggeraknya menggunakan transmisi manual 4
percepatan dibekali transfer case dual-range. Akselerasi 0-100 km/jam adalah
berkisar 37,9 detik. Taft F10 masuk ke Indonesia pada tahun 1976 dan berakhir
pada tahun 1979. Pada tahun 1977, Daihatsu membekali Taft dengan mesin baru
bensin 4 segaris karburator 1.6L (1587 cc) bertenaga 79 hp(59 kW, 80 PS)@ 5200
rpm dengan torsi 123 Nm / 91 ft-lb @ 3000 rpm. Taft ini memiliki kode F20.
Akselerasi 0-100 km/jam untuk F20 adalah berkisar 19,6 detik. Taft F20 tidak
dimasukkan ke pasar Indonesia.
2.1.2 Daihatsu taft F50
Pada tahun 1977, Daihatsu meluncurkan Taft bermesin diesel yang diberi
kode F50. Mempunyai bentuk bodi dan dimensi yang hampir sama dengan Taft
generasi
sebelumnya,
Taft
F50
memakai mesin
diesel 4 segaris indirect
Universitas Sumatera Utara
injection DG 2.5L (2530 cc) yang sanggup mengeluarkan tenaga 74 hp (55 kW,
75 PS)@ 3600 rpm dan torsi 172 Nm / 127 ft-lb @ 2200 rpm.
2.1.3 Daihatsu F70( taft hiline)
Taft F70 diluncurkan oleh Daihatsu di Indonesia pada tahun 1985, populer
dengan nama Taft GT. F70 merupakan model terlama yang dipasarkan oleh
Daihatsu di Indonesia. Tampil dengan desain dan mesin baru, F70 menggunakan
mesin diesel yang lebih besar dan bertenaga daripada sebelumnya dengan kode
DL41 2.8L (2765 cc) berteknologi indirect injection. Tenaga maksimumnya 72 hp
(53,5 kW, 73 ps) @ 3600 rpm dan torsi maksimumnya 170 Nm / 125 ft-lb @ 2200
rpm. Mesin ini menggunakan timing gear sebagai penggerak katupnya dengan
pompa injeksi in-line. Semua Taft F70 yang beredar menggunakan penggerak 4
roda.
Selain Taft F70, Di Indonesia Daihatsu juga meluncurkan Taft F69 yang
disebut Hiline yang diperkenalkan pada tahun 1986. Model yang diperkenalkan
saat itu memiliki variasi dimensi, dari sumbu-roda pendek (Hiline GTS, shortwheelbase), sumbu-roda menengah (Hiline GTX, medium-wheelbase), sampai
sumbu-roda panjang (Hiline GTL, long-wheelbase). Hiline GTS memiliki dimensi
dan mesin sama dengan F70, hanya saja F69 hanya berpenggerak roda belakang,
sedangkan F70 berpenggerak 4 roda. Hiline GTX, yang beredar pada tahun 19861988, merupakan cikal bakal F75 Rocky. Sedangkan Hiline GTL memiliki sumbu
roda terpanjang, umum digunakan sebagai kendaraan angkutan. Pada umumnya,
semua F69 berpenggerak roda belakang saja, namun ada beberapa Hiline GTL
berpenggerak 4 roda yang merupakan pesanan khusus.
Gambar 2.1 Daihatsu Taft Hiline GTL
Universitas Sumatera Utara
Berikut ini akan dijabarkan spessifikasi dari Daihatsu Taft Hiline GTL
yang dapat dilihat pada tabel 2.1, yaitu:
Tabel 2.1 Spesifikasi Daihatsu Taft Hiline GTL
Panjang
Lebar
Tinggi
Jarak Roda
Tread (depan / belakang)
Ground Clearance
Berat
Mesin
Kapasitas
Diameter x langkah
Tenaga Maksimum
Torsi Maksimum
Rasio Kompresi
Kopling
Transmisi
Rasio roda gigi
Suspensi
Rem
Kemudi
Radius putar
Ban
Kapasitas tangki
4580 mm
1580 mm
1840 mm
2800 mm
1320 / 1300 mm
210 mm
(Kosong) 1490 kg; (Total) 2570 kg
diesel; 4 silinder; 4 langkah;
berpendingin air
2765 cc
92 x 104 mm
74 PS / 55 kW - 3600 rpm
17,5 kgm/172 Nm - 2200 rpm
21,5 : 1
single plate; dry clutch; diafragma
dikontrol secara mekanis
5 speed manual; 1 speed reverse;
tongkat pemindah di lantai dan
sinkromes
(1) 3,467; (2) 2,136; (3) 1,382; (4)
1,000; (5) 0,860; (R) 4,351
(Depan) axle type; pegas daun; shock
absorber double action; stabilizer
lateral control rod
(Belakang) axle type; pegas daun;
shock absorber double action
(Depan) tipe cakram / disc dgn booster
(Belakang) tipe drums, trailing dan
leading
Power-streering; ball-nut (24-28)
6,4 m
(Depan-Belakang) H78/235-SR70
60 liter
Sumber: PT. Astra Daihatsu Indonesia
2.1.4 Daihatsu taft F73/F78
Pada tahun 1996, Daihatsu meluncurkan generasi terakhir Taft yang diberi
kode F73. Tidak ada perbedaan bentuk yang mencolok antara F73 dengan F70
kecuali pada gril dan lampu bagian depannya. Taft generasi ini juga disebut Taft
Universitas Sumatera Utara
Independent karena telah memakai suspensi independen (Independent front
suspension) untuk roda depan dan gardan solid dengan per keong untuk roda
belakang. Untuk mesinnya, tetap menggunakan mesin diesel DL42 2.8L (2765 cc)
dengan transmisi manual 5 percepatan. Selain F73, Daihatsu juga meluncurkan
Rocky generasi terbaru yang diberi kode F78. Pembaharuan yang dilakukan sama
dengan F73, yang membedakan keduanya hanyalah sumbu rodanya saja. Taft F73
dan F78 diproduksi di Indonesia hingga tahun 2007.
2.2 Transmisi
Menurut Novriza (2012) transmisi adalah kombinasi dari gigi yang
digunakan untuk mengirimkan energi melalui bagian yang berbeda dari
kendaraan. Dan juga berfungsi seperti meningkatkan torsi sekaligus mengurangi
kecepatan. Gearbox atau transmisi adalah salah satu komponen utama motor yang
disebut sebagai sistem pemindah tenaga, transmisi berfungsi untuk memindahkan
dan mengubah tenaga dari motor yang berputar, yang digunakan untuk memutar
spindel mesin maupun melakukan gerakan feeding.
Jika putaran mesin dihubungkan secara langsung dengan roda – roda
penggerak, mesin tidak bisa mengembangkan momen putar saat start. Karena
untuk start dibutuhkan momen kerja yang besar. Transmisi berfungsi
memindahkan tenaga gerak mesin ke roda dan mengatur besar kecepatan sudut
putaran agar sesuai kebutuhan. Transmisi mengatur variasi perbandingan antara
kecepatan dan torsi. Fungsi transmisi pada kendaraan adalah :
1. Mengatur kecepatan sesuai dengan beban dan kondisi jalan.
2. Merubah arah putaran roda. Sehingga kendaraan dapat maju dan mundur.
3. Memutuskan dan menghubungkan putaran, sehingga kendaraan dapat berhenti
sementara mesin hidup.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Transmisi
2.2.1 Komponen- komponen transmisi
Berikut ini akan diuraikan komponen- komponen dari gearbox yang dapat
dilihat pada tabel 2.2, yaitu:
Tabel 2.2 Komponen Transmisi
No
Komponen
1
Poros
2
Fungsi
input Sebuah poros dioperasikan dengan kopling yang memutar
transmisi
gigi di dalam gearbox
Gigi transmisi
Untuk mengubah output gaya torsi yang meninggalkan
transmisi
3
Gigi penyesuai Komponen yang memungkinkan pemindahan gigi pada
saat mesin bekerja/ hidup
4
Garpu
Batang untuk memindah gigi atau syncroniser pada
pemindah
porosnya sehingga memungkinkan gigi untuk dipasang/
dipindah
5
6
Tuas
Batang/tuas yang menghubungkan tuas persneling dengan
penghubung
shift fork.
Tuas
Tuas yang memungkinkan sopir memindah gigi transmisi.
pemindah
presnelling
7
Bak transmisi
Sebagai dudukan bearing transmisi dan poros-poros serta
sebagai wadah oli/minyak transmisi
8
Poros output
Poros yang mentransfer torsi dari transmisi ke gigi terakhir
Universitas Sumatera Utara
Sambungan Tabel 2.2
9
Bantalan/laker Mengurangi gesekan antara permukaan benda yang
berputar di dalam sistem transmisi
10
Pemanjangan
Melingkupi poros output transmisi dan menahan seal oli
bak
belakang. Juga menyokong poros output.
11
Gigi Konter
Sebagai penghasil torsi dari gigi input ke gigi kecepatan
12
Gigi
Sebagai penggerak kabel mengukur rpm kecepatan
speedometer
kendaraan.
2.2.2 Prinsip kerja transmisi
Putaran dari motor diteruskan ke input shaft (poros input) melalui
hubungan antara clutch/ kopling, kemudian putaran diteruskan ke main
shaft (poros utama), torsi/ momen yang ada di main shaft diteruskan ke spindel
mesin, karena adanya perbedaan rasio dan bentuk dari gigi-gigi tersebut sehingga
rpm atau putaran spindel yang di keluarkan berbeda, tergantung dari rpm yang
diinginkan.
2.3 Perpindahan Panas
Menurut Holman (1981) bila dalam suatu sistem terdapat gradient suhu,
atau bila dua sistem yang suhunya berbeda disinggungkan, maka akan terjadi
perpindahan energi. Proses dengan mana perpindahan energi itu berlangsung
disebut sebagai perpindahan panas. Apa yang ada dalam perpindahan, yang
disebut panas (heat), tidak dapat diukur atau diamati secara langsung, tetapi
pengaruhnya dapat diamati dan diukur. Aliran panas, seperti halnya pelaksanaan
kerja adalah suatu proses dengan mana energi dalam suatu sistem berubah.
Perpindahan panas teknik. Dari titik pandang perekayasaan (engineering),
masalah kunci adalah penentuan laju perpindahan panas pada beda suhu yang
ditentukan. Untuk menaksir biaya, kelayakan, dan besarnya peralatan yang
diperlukan untuk memindahkan sejumlah panas tertentu dalam waktu yang
ditentukan, harus diadakan analisa perpindahan panas yang terperinci. Dalam
perpindahan
panas,
sebagaimana
dalam
cabang
perekayasaan
lainnya,
penyelesaian yang baik terhadap suatu soal memerlukan asumsi dan idealisasi.
Hampir tidak mungkin menguraikan fenomena fisik secara tepat, dan untuk
merumuskan suatu soal dalam bentuk persamaan yang dapat diselesaikan kita
perlu mengadakan beberapa asumsi. Contoh dalam perhitungan rangkaian listrik,
Universitas Sumatera Utara
misalnya, biasanya diasumsikan bahwa nilai tahanan, kapasitansi, dan induktansi
tidak
tergantung
pada
arus
yang
mengalir
melaluinya.
Asumsi
ini
menyederhanakan analisanya, tetapi dalam hal – hal tertentu dapat sangat
membatasi ketelitian hasilnya.
Bilamana diperlukan untuk membuat asumsi atau pengiraan dalam
penyelesaian suatu soal, maka perekayasaan harus mengandalkan akal dan
pengalamannya di masa lampau. Tidak ada panduan sederhana bagi soal yang
baru dan belum pernah dijamah, dan suatu asumsi yang benar bagi sebuah soal
mungkin menyesatkan dalam soal yang lain. Namun pengalaman menunjukkan,
bahwa syarat pertama dan utama untuk membuat asumsi atau pengiraan
perekayasaan yang baik adalah pengertian fisik yang menyeluruh dan mendalam
terhadap soal yang dihadapi. Di bidang perpindahan panas hal ini memerlukan
tidak hanya hukum – hukum dan mekanisme fisik dari aliran panas, tetapi juga
dari mekanika fluida, fisika dan matematika.
2.3.1 Cara perpindahan panas
Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari
satu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah
tersebut. Perpindahan panas pada umumnya mengenal 3 cara pemindahan panas
yang berbeda, yaitu:
1. Konduksi
Konduksi adalah proses dengan mana panas mengalir dari daerah yang
bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium
(padat, cair, dan gas) atau antara medium – medium yang berlainan yang
bersinggungan secara langsung. Konduksi merupakan satu – satunya mekanisme
dengan mana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya.
Konduksi penting pula dalam fluida, tetapi di dalam medium yang bukan padat
biasanya tergabung dengan konveksi, dan dalam beberapa hal juga dengan radiasi.
2. Konveksi
Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari
konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat
penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat
Universitas Sumatera Utara
dan cairan atau gas. Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi
bebas dan konveksi paksa menurut cara menggerakkan alirannya. Bila gerakan
mencampur berlangsung semata – mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan
yang disebabkan oleh gradien suhu, maka kita berbicara tentang konveksi bebas
(alamiah). Bila pergerakkan mencampurnya disebabkan oleh suatu alat dari luar,
seperti pompa atau kipas, maka proses ini disebut dengan konveksi paksa.
3. Radiasi
Radiasi adalah proses dengan mana panas mengalir dari benda yang
bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda – benda itu terpisah di
dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda – benda tersebut.
Istillah radiasi pada umumnya dipergunakan untuk segala jenis gelombang
elektromagnetik, tetapi didalam ilmu perpindahan panas kita hanya perlu
memperhatikan hal yang diakibatkan oleh suhu dan yang dapat mengangkut
energi melalui medium yang tembus cahaya atau melalui ruang. Energi yang
berpindah dengan cara ini diistilahkan sebagai panas radiasi.
2.3.2 Hukum – hukum dasar perpindahan panas
Menurut R. Pitts dan E. Sissom (1977) bahwa suatu analisa teknik yang
penuh arti akan menuntun jawaban kuantitatif. untuk itu kita akan membahas
tentang konduksi, konveksi dan radiasi.
1. Konduksi
Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi diusulkan
oleh ilmuwan Perancis, J. B. J. Fourier, dalam tahun 1882. Hubungan ini
menyatakan bahwa qk, laju aliran panas dengan cara konduksi dalam suatu bahan,
sama dengan hasil kali dari 3 buah besaran berikut yang dapat dilihat pada
persamaan 2.1:
= − . �.
Keterangan:
�
………
.
qk
= laju aliran panas (W)
k
= konduktivitas termal (W/m.K)
A
= luas penampang (m2)
Universitas Sumatera Utara
�
= gradien suhu pada penampang tersebut, yaitu laju perubahan
�
suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x.
Khusus pada bagian ini akan dibahas lebih detail pada skripsi dari saudara
Nixon
yang
berjudul
Membandingkan Hasil
”Analisa
Gearbox
dengan
Eksperimental Sebelum
Parameter
Thermal
dan Sesudah Dilakukan
Overhaul”.
2. Konveksi
Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan
suatu fluida dapat dihitung dengan rumus 2.2:
= ℎ . �. ∆ … … … .
Keterangan:
.
qc
= laju perpindahan panas dengan cara konveksi (W)
hc
= koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)
A
= luas perpindahan panas (m2)
∆T
= perubahan suhu permukaan Ts dan suhu fluida T∞ (K) dimana
data diambil dari hasil eksperimen.
Tabel 2.3 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi
Fluida
Koefisien Konveksi (W/m2K)
Udara
30 - 300
Air
300 - 6000
Oli
60 – 1800
Air mendidih
6000 – 120000
Sumber: http://www.slideshare.net/spsu/11-heat-transfer
3. Radiasi
Jumlah energi yang meninggalkan suatu permukaan sebagai panas radiasi
tergantung
pada suhu mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiasi yang
sempurna memancarkan energi radiasi dari permukaannya dengan laju
perpindahan yang ditulis dengan persamaan 2.3:
Universitas Sumatera Utara
= �. �. (
Keterangan:
−
)………
.
qr
= laju perpindahan panas radiasi (W)
�
= konstanta Stefan – Boltzmann = 5,678.10-8W/m2.K4
∆T
= perubahan suhu permukaan 1 dan 2 (K4) dimana data diambil
dari hasil eksperimen.
2.3.3 Mekanisme perpindahan panas gabungan
Menurut Prijono Arko (1985) bahwa dalam praktek biasanya panas
berpindah dalam tahap – tahap melalui sejumlah bagian yang berbeda yang
dihubungkan secara seri, dan untuk bagian tertentu dalam sistem tersebut
perpindahannya seringkali berlangsung dengan 2 mekanisme secara paralel.
Aliran perpindahan panas dapat dilihat pada gambar 2.3
qc
qc
Dindin
g
qk
dingin
panas
qr
Gambar 2.3 Aliran perpindahan panas
Dalam bagian pertama sistem ini, maka panas berpindah dari tempat
panas ke dinding dengan mekanisme konveksi dan radiasi yang bekerja secara
paralel. Laju aliran total aliran panas q ke dinding yang dinyatakan dengan
persamaan 2.4:
= ℎ . �. (
� �
−
−
��
= ℎ .� + ℎ .�
=
� �
�
��
� �
�
−
� �)
�
� �
��
+ ℎ . �. (
………
� �)
�
� �
−
��
�
� �)
.
Dalam keadaan steady, panas berkonduksi melalui dinding, yaitu bagian
kedua sistem tersebut, dengan laju yang sama dengan laju ke permukaan yang
dinyatakan dengan persamaa 2.5:
Universitas Sumatera Utara
=
=
��
=
.�
�
��
� �
−
�
�
� �
�
−
�
� � � ��
� � � ��
………
.
Setelah melalui dinding, panas mengalir melalui bagian ketiga sistem
tersebut ke zat pendingin dengan cara konveksi. Dengan asumsi bahwa
perpindahan panas radiasi dapat diabaikan dengan konveksi, laju aliran panas
dalam tahap terakhir dinyatakan dengan persamaan 2.6:
=
= ℎ . �. (
�
=
�
� � � ��
�
� � � ��
−
� ��
−
)
� ��
………
.
Jadi laju aliran panas total dapat dinyatakan dengan persamaan 2.7:
�
=
∆
………
� +� +�
.
2.3.4 Model numerik perpindahan panas
Pada analisis steady state termal dapat diselesaikan dengan model numerik
yaitu dengan menggunakan rumus dari hukum perpindahan panas gabungan yang
sudah dijelaskan pada subbab sebelumnya.
= . �. ∆ … … …
Dimana :
.
q
= laju perpindahan panas (W)
U
= jumlah dari rambatan konduksi dan konveksi yang terjadi (w/m2K)
A
= luas permukaan benda yang mengalami konduksi dan konveksi (m2)
∆
= perubahan suhu yang terjadi pada benda yang bersuhu tinggi dengan
benda bersuhu rendah (oC)
Dimana :
.� =
� +� +� +⋯+�
………
.
Universitas Sumatera Utara
Sehingga didapatkan rumus sebagai berikut:
=(
).∆ ………
� + � + ⋯+ �
.
Dari rumus diatas ini dapat dibuat matrik analisis steady state termal:
[ ] = [ ]. [ ] … … …
.
Untuk mendapatkan matriks dari ketiga elemen diatas maka harus dibuat dulu
gambar skets dari CAD agar lebih mudah dipahami.
R1
R7
R3
R5
R4
R1
R2
R3
R4
R1
R2
R6
R7
R6
R7
R5
R3
R4+R5
R1
R2
1/R3+1/(R4+R
5)5)
R6
R7
Maka dari hasil skets gambar 2D maka didapat hasil numerik dalam bentuk
matriks yaitu:
[ ].[ ] = [ ]
�
Universitas Sumatera Utara
1/
R1 -1/R1
1/ 1/R1+1
/R2
R1
0
0
-1/R2
0
1/R2+1/(R3+1/R 1/(R3+1/R4+1/R
4+1/R5)
5)
1/(R3+1/R4+1/R 1/(R3+1/R4+1/R
5)
5)+1/R6
0
-1/R2
0
0
0
0
0
-1/R6
0
0
0
0
0
0
T
1
0
0
T
2
q
2
0
T
3
q
3
0
-1/R6
0
1/R6+1 1/
/R7
R7
-1/R7
1/
R7
*
=
q
1
T
4
q
4
T
5
q
5
T
6
q
6
2.4 Perangkat Lunak yang Digunakan
Terdapat beberapa perangkat lunak yang digunakan dalam menganalisa
sistem perpindahan panas yang terjadi, yaitu sebagai berikut :
1. SolidWorks
Menurut Youzoef (2012) SolidWorks adalah salah satu CAD software
yang dibuat oleh dassault sistem digunakan untuk merancang part permesinan
atau susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan 3D untuk
merepresentasikan part sebelum dibuat atau tampilan 2D (drawing ) untuk gambar
proses permesinan. SolidWorks diperkenalkan pada tahun 1995 sebagai pesaing
untuk program CAD seperti Pro / ENGINEER, NX Siemens, I-Deas, Unigraphics,
Autodesk Inventor, Autodeks AutoCAD dan CATIA dengan harga yang lebih
murah. SolidWorks Corporation didirikan pada tahun 1993 oleh Jon
Hirschtick, dengan merekrut tim insinyur untuk membangun sebuah perusahaan
yang mengembangkan perangkat lunak CAD 3D, dengan kantor pusatnya di
Concord, Massachusetts, dan merilis produk pertama, SolidWorks 95, pada tahun
1995.
Pada tahun 1997 dassault sistem, yang terkenal dengan CATIA CAD
software, mengakuisisi perusahaan dan sekarang ini memiliki 100% dari saham
SolidWorks. SolidWorks dipimpin oleh John McEleney dari tahun 2001 hingga
Juli 2007, dan sekarang dipimpin oleh Jeff Ray. Saat ini banyak industri
Universitas Sumatera Utara
manufaktur
yang
sudah memakai
software
ini,
menurut
informasi
WIKI, SolidWorks saat ini digunakan oleh lebih dari 3 / 4 juta insinyur dan
desainer di lebih dari 80.000 perusahaan di seluruh dunia. Kalau dulu orang
familiar dengan AUTOCAD untuk desain perancangan gambar teknik seperti
yang penulis alami tapi sekarang dengan mengenal SOLIDWORKS maka
AUTOCAD sudah jarang dipakai. Tapi itu tentunya tergantung kebutuhan
masing-masing.
Untuk permodelan pada industri dalam hal pembuatan desain, program
program 3D seperti ini sangat membantu sebab akan memudahkan operator
desain untuk menterjemahkan gambar menjadi model dan tentunya akan
mengurangi kesalahan pembacaan gambar yang bisa mengakibatkan salah
bentuk. Untuk industri permesinan selain dihasilkan gambar kerja untuk
pengerjaan mesin manual juga hasil geometri dari SolidWorks ini bisa langsung
diproses lagi dengan CAM program semisal MASTERCAM, SOLIDCAM,
VISUALMILL, dll.
Gambar 2.4 SolidWorks
Universitas Sumatera Utara
2. Finite Element Analysis (FEA)
Proses FEA merupakan proses yang paling sering digunakan untuk
menganalisa suatu komponen. Karena pada proses ini akan diteliti lebih detail
sampai dengan elemen yang sangat kecil, sehingga hasil yang didapatkan akurat.
Untuk laporan ini, penulis menggunakan perangkat lunak yang dikenal dengan
sebutan Ansys15.0. Ansys15.0 berfungsi untuk menganalisis suhu yang terjadi
pada ruang transmisi tetapi untuk menganalisis suhu pada ruang transmisi harus
didampingi dengan statik struktur karena terdapat putaran pada sistem transmisi.
Analisis statik struktur ini dapat memasukkan beberapa gaya yang dialami
oleh suatu sistem. Sedangkan pada steady state termal hanya dapat memasukkan
suhu, koefisien konveksi dan suhu radiasi yang dialami oleh suatu sistem. Pada
analisis static structural, hasil yang ingin didapatkan adalah total deformasi yang
terjadi pada desain CAD. Sedangkan pada analisis steady state termal, hasil yang
ingin didapatkan adalah laju perpindahan panas yang terjadi pada desain CAD.
Proses ini merupakan hasil dari pekerjaan perangkat lunak.
Gambar 2.5 Ansys15.0
2.5 Parameter Kelahiran Termal pada Gearbox
Berikut ini akan dijelaskan beberapa parameter yang dapat menyebabkan
kelahiran panas pada sistem transmisi, yaitu sebagai berikut:
1. Konstruksi gearbox. Konstruksi dari gearbox berupa desain maupun jenis
material yang digunakan dapat berpengaruh terhadap panas yang dihasilkan.
Perubahan suhu dapat dilihat dari penggunaan material yang berbeda.
2. Pusat konstrain. Pusat konstrain merupakan pusat tumpuan dari konstruksi
tersebut. Pusat konstrain yang berbeda dapat menghasilkan hasil yang berbeda
Universitas Sumatera Utara
pula
jika titik konstrain tidak dipasang secara keselurahan juga akan
menghasilkan total heatflux yang berbeda juga.
3. Kontak region. Kontak region merupakan tempat dimana terjadi kontak antar
roda gigi. Kontak region yang berbeda juga akan menghasilkan total heatflux
yang berbeda juga.
4. Frictionless support. Frictionless support merupakan tempat terjadinya
gesekan. Frictionless support yang berbeda juga akan menghasilkan total
heatflux yang berbeda juga.
5. Simulasi analisis termal. Simulasi dilakukan dengan Metode Elemen Hingga
dimana analisis dilakukan dengan analisa termal. Pada tahap awal dilakukan
pemodelan terlebih dahulu lalu dilakukan proses mesh dan peletakan pusat
konstrain. Lalu membangun model matematik matrik yang akan dieksekusi
perangkat lunak.
2.6 Tinjauan Peneliti Terdahulu
Pawan Kumar, dan Prof. M. Y. Patil (2013) meneliti tentang suhu pada
roda gigi ketika diberi beban dan tanpa diberi beban. Hasil penelitian adalah
bahwa suhu pada roda gigi tanpa beban adalah sebesar 45,352 ⁰C, dan suhu roda
gigi yang diberikan beban adalah sebesar 101,09 ⁰C.
P. D. Patel, dan D. S. Shah (2012) meneliti tentang analisis heatflux, dan
analisis termal stress. Hasil penelitian adalah mendapatkan tegangan ekuivalen
maksimum pada bagian atas casing dan bagian bawah casing. Serta mendapatkan
total deformasi maksimum pada casing gearbox tersebut.
Berikut ini akan dijabarkan tabel peneliti terdahulu yang dapat dilihat pada tabel
sebagai berikut:
Tabel 2.4 Peneliti Terdahulu
No
1
Peneliti
Judul
Variabel
Metodologi
Hasil
Penelitian
Penelitian
Pawan
Design and Independen:
Steady
Kumar,
Thermal
Thermal.
Suhu akhir
dan Prof. Analysis Of Dependen:
M.
Patil
Y. Helical
Gear
state Suhu
pada roda gigi
Desain CAD di tanpa
Material dan SolidWorks
kondisi batas
akhir
kemudian
diberi
beban
dan
di ketika
diberi
Universitas Sumatera Utara
Sambungan Tabel 2.4
analisis
di beban.
Ansys.
2
P.
D. Steady State Independen:
Thermal
Patel,
dan
D. Stress
S. Shah
Steady
State Tegangan
Tegangan
Thermal.
ekuivalen,
Proses analisis bagian
atas
dan
ekuivalen pada
Analysis Of total
dan
casing
Gearbox
penggambaran
pada
Casing
deformasi,
By suhu,
bagian
bawah casing,
heat CAD
Finite
flux
dilakukan
Element
Dependen:
software
Method
Material dan Ansys.
yang
terjadi
kondisi batas
pada
casing
di serta
total
deformasi
tersebut.
2.7 Kesimpulan
Dari tinjauan penelitian terdahulu, dapat disimpulkan bahwa analisis
steady state thermal dapat digunakan untuk melakukan analisis perubahan suhu
yang terjadi pada sistem saat mesin masih hidup. Namun terdapat beberapa
kekurangan, dimana analisis yang dilakukan tidak diberikan pembebanan. Dimana
seperti yang telah diketahui bahwa jika suatu mesin diberikan beban maka suhu
akan naik, tetapi hal ini tidak dapat dilakukan karena keterbatasan perangkat lunak
yang digunakan. Alhasil, maka untuk pembuktian tentang perpindahan panas yang
terjadi digunakan perangkat lunak yang seadanya.
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Objek Penelitian
Pada subbab ini akan dibahas tentang objek penelitian yang akan diteliti.
Objek yang diteliti adalah gearbox pada mobil Daihatsu Taft. Menurut sumber
wikipedia, Daihatsu Taft adalah kendaraan berpenggerak 4 roda yang diproduksi
oleh Daihatsu pada tahun 1974 sampai 2007. Di beberapa negara, Taft juga
dikenal dengan Wildcat atau Scat atau Daihatsu Rugger. Generasi pertama Taft
berkode F10 diluncurkan pada tahun 1974. F10 menggunakan mesin bensin 1.0 L
(958 cc) dan transmisi 4 percepatan dengan transfer case 2 mode. Di Indonesia,
Taft F10 diperkenalkan pertama kali pada tahun 1976. Pada tahun 1977, F10
digantikan oleh seri F20 yang menggunakan mesin bensin 12R 1.6 L (1587 cc).
Selain itu, Taft berkodeF50 dengan mesin diesel DG 2.5 L juga diluncurkan. Pada
tahun 1985, Taft F50 digantikan oleh seri F70 dengan mesin diesel berkode DL41
2.8L (2765 cc).
2.1.1 Daihatsu taft F10
Taft pertama kali diluncurkan pada tahun 1974 dan memiliki kode F10.
Taft
F10
dibekali
dengan mesin
bensin 4
segaris 1.0L
(958cc) karburator bertenaga 57 hp (42,5 kW, 58 PS)@ 5500 rpm dengan torsi
78,5 Nm / 58 ft-lb @ 4000 rpm. Penggeraknya menggunakan transmisi manual 4
percepatan dibekali transfer case dual-range. Akselerasi 0-100 km/jam adalah
berkisar 37,9 detik. Taft F10 masuk ke Indonesia pada tahun 1976 dan berakhir
pada tahun 1979. Pada tahun 1977, Daihatsu membekali Taft dengan mesin baru
bensin 4 segaris karburator 1.6L (1587 cc) bertenaga 79 hp(59 kW, 80 PS)@ 5200
rpm dengan torsi 123 Nm / 91 ft-lb @ 3000 rpm. Taft ini memiliki kode F20.
Akselerasi 0-100 km/jam untuk F20 adalah berkisar 19,6 detik. Taft F20 tidak
dimasukkan ke pasar Indonesia.
2.1.2 Daihatsu taft F50
Pada tahun 1977, Daihatsu meluncurkan Taft bermesin diesel yang diberi
kode F50. Mempunyai bentuk bodi dan dimensi yang hampir sama dengan Taft
generasi
sebelumnya,
Taft
F50
memakai mesin
diesel 4 segaris indirect
Universitas Sumatera Utara
injection DG 2.5L (2530 cc) yang sanggup mengeluarkan tenaga 74 hp (55 kW,
75 PS)@ 3600 rpm dan torsi 172 Nm / 127 ft-lb @ 2200 rpm.
2.1.3 Daihatsu F70( taft hiline)
Taft F70 diluncurkan oleh Daihatsu di Indonesia pada tahun 1985, populer
dengan nama Taft GT. F70 merupakan model terlama yang dipasarkan oleh
Daihatsu di Indonesia. Tampil dengan desain dan mesin baru, F70 menggunakan
mesin diesel yang lebih besar dan bertenaga daripada sebelumnya dengan kode
DL41 2.8L (2765 cc) berteknologi indirect injection. Tenaga maksimumnya 72 hp
(53,5 kW, 73 ps) @ 3600 rpm dan torsi maksimumnya 170 Nm / 125 ft-lb @ 2200
rpm. Mesin ini menggunakan timing gear sebagai penggerak katupnya dengan
pompa injeksi in-line. Semua Taft F70 yang beredar menggunakan penggerak 4
roda.
Selain Taft F70, Di Indonesia Daihatsu juga meluncurkan Taft F69 yang
disebut Hiline yang diperkenalkan pada tahun 1986. Model yang diperkenalkan
saat itu memiliki variasi dimensi, dari sumbu-roda pendek (Hiline GTS, shortwheelbase), sumbu-roda menengah (Hiline GTX, medium-wheelbase), sampai
sumbu-roda panjang (Hiline GTL, long-wheelbase). Hiline GTS memiliki dimensi
dan mesin sama dengan F70, hanya saja F69 hanya berpenggerak roda belakang,
sedangkan F70 berpenggerak 4 roda. Hiline GTX, yang beredar pada tahun 19861988, merupakan cikal bakal F75 Rocky. Sedangkan Hiline GTL memiliki sumbu
roda terpanjang, umum digunakan sebagai kendaraan angkutan. Pada umumnya,
semua F69 berpenggerak roda belakang saja, namun ada beberapa Hiline GTL
berpenggerak 4 roda yang merupakan pesanan khusus.
Gambar 2.1 Daihatsu Taft Hiline GTL
Universitas Sumatera Utara
Berikut ini akan dijabarkan spessifikasi dari Daihatsu Taft Hiline GTL
yang dapat dilihat pada tabel 2.1, yaitu:
Tabel 2.1 Spesifikasi Daihatsu Taft Hiline GTL
Panjang
Lebar
Tinggi
Jarak Roda
Tread (depan / belakang)
Ground Clearance
Berat
Mesin
Kapasitas
Diameter x langkah
Tenaga Maksimum
Torsi Maksimum
Rasio Kompresi
Kopling
Transmisi
Rasio roda gigi
Suspensi
Rem
Kemudi
Radius putar
Ban
Kapasitas tangki
4580 mm
1580 mm
1840 mm
2800 mm
1320 / 1300 mm
210 mm
(Kosong) 1490 kg; (Total) 2570 kg
diesel; 4 silinder; 4 langkah;
berpendingin air
2765 cc
92 x 104 mm
74 PS / 55 kW - 3600 rpm
17,5 kgm/172 Nm - 2200 rpm
21,5 : 1
single plate; dry clutch; diafragma
dikontrol secara mekanis
5 speed manual; 1 speed reverse;
tongkat pemindah di lantai dan
sinkromes
(1) 3,467; (2) 2,136; (3) 1,382; (4)
1,000; (5) 0,860; (R) 4,351
(Depan) axle type; pegas daun; shock
absorber double action; stabilizer
lateral control rod
(Belakang) axle type; pegas daun;
shock absorber double action
(Depan) tipe cakram / disc dgn booster
(Belakang) tipe drums, trailing dan
leading
Power-streering; ball-nut (24-28)
6,4 m
(Depan-Belakang) H78/235-SR70
60 liter
Sumber: PT. Astra Daihatsu Indonesia
2.1.4 Daihatsu taft F73/F78
Pada tahun 1996, Daihatsu meluncurkan generasi terakhir Taft yang diberi
kode F73. Tidak ada perbedaan bentuk yang mencolok antara F73 dengan F70
kecuali pada gril dan lampu bagian depannya. Taft generasi ini juga disebut Taft
Universitas Sumatera Utara
Independent karena telah memakai suspensi independen (Independent front
suspension) untuk roda depan dan gardan solid dengan per keong untuk roda
belakang. Untuk mesinnya, tetap menggunakan mesin diesel DL42 2.8L (2765 cc)
dengan transmisi manual 5 percepatan. Selain F73, Daihatsu juga meluncurkan
Rocky generasi terbaru yang diberi kode F78. Pembaharuan yang dilakukan sama
dengan F73, yang membedakan keduanya hanyalah sumbu rodanya saja. Taft F73
dan F78 diproduksi di Indonesia hingga tahun 2007.
2.2 Transmisi
Menurut Novriza (2012) transmisi adalah kombinasi dari gigi yang
digunakan untuk mengirimkan energi melalui bagian yang berbeda dari
kendaraan. Dan juga berfungsi seperti meningkatkan torsi sekaligus mengurangi
kecepatan. Gearbox atau transmisi adalah salah satu komponen utama motor yang
disebut sebagai sistem pemindah tenaga, transmisi berfungsi untuk memindahkan
dan mengubah tenaga dari motor yang berputar, yang digunakan untuk memutar
spindel mesin maupun melakukan gerakan feeding.
Jika putaran mesin dihubungkan secara langsung dengan roda – roda
penggerak, mesin tidak bisa mengembangkan momen putar saat start. Karena
untuk start dibutuhkan momen kerja yang besar. Transmisi berfungsi
memindahkan tenaga gerak mesin ke roda dan mengatur besar kecepatan sudut
putaran agar sesuai kebutuhan. Transmisi mengatur variasi perbandingan antara
kecepatan dan torsi. Fungsi transmisi pada kendaraan adalah :
1. Mengatur kecepatan sesuai dengan beban dan kondisi jalan.
2. Merubah arah putaran roda. Sehingga kendaraan dapat maju dan mundur.
3. Memutuskan dan menghubungkan putaran, sehingga kendaraan dapat berhenti
sementara mesin hidup.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Transmisi
2.2.1 Komponen- komponen transmisi
Berikut ini akan diuraikan komponen- komponen dari gearbox yang dapat
dilihat pada tabel 2.2, yaitu:
Tabel 2.2 Komponen Transmisi
No
Komponen
1
Poros
2
Fungsi
input Sebuah poros dioperasikan dengan kopling yang memutar
transmisi
gigi di dalam gearbox
Gigi transmisi
Untuk mengubah output gaya torsi yang meninggalkan
transmisi
3
Gigi penyesuai Komponen yang memungkinkan pemindahan gigi pada
saat mesin bekerja/ hidup
4
Garpu
Batang untuk memindah gigi atau syncroniser pada
pemindah
porosnya sehingga memungkinkan gigi untuk dipasang/
dipindah
5
6
Tuas
Batang/tuas yang menghubungkan tuas persneling dengan
penghubung
shift fork.
Tuas
Tuas yang memungkinkan sopir memindah gigi transmisi.
pemindah
presnelling
7
Bak transmisi
Sebagai dudukan bearing transmisi dan poros-poros serta
sebagai wadah oli/minyak transmisi
8
Poros output
Poros yang mentransfer torsi dari transmisi ke gigi terakhir
Universitas Sumatera Utara
Sambungan Tabel 2.2
9
Bantalan/laker Mengurangi gesekan antara permukaan benda yang
berputar di dalam sistem transmisi
10
Pemanjangan
Melingkupi poros output transmisi dan menahan seal oli
bak
belakang. Juga menyokong poros output.
11
Gigi Konter
Sebagai penghasil torsi dari gigi input ke gigi kecepatan
12
Gigi
Sebagai penggerak kabel mengukur rpm kecepatan
speedometer
kendaraan.
2.2.2 Prinsip kerja transmisi
Putaran dari motor diteruskan ke input shaft (poros input) melalui
hubungan antara clutch/ kopling, kemudian putaran diteruskan ke main
shaft (poros utama), torsi/ momen yang ada di main shaft diteruskan ke spindel
mesin, karena adanya perbedaan rasio dan bentuk dari gigi-gigi tersebut sehingga
rpm atau putaran spindel yang di keluarkan berbeda, tergantung dari rpm yang
diinginkan.
2.3 Perpindahan Panas
Menurut Holman (1981) bila dalam suatu sistem terdapat gradient suhu,
atau bila dua sistem yang suhunya berbeda disinggungkan, maka akan terjadi
perpindahan energi. Proses dengan mana perpindahan energi itu berlangsung
disebut sebagai perpindahan panas. Apa yang ada dalam perpindahan, yang
disebut panas (heat), tidak dapat diukur atau diamati secara langsung, tetapi
pengaruhnya dapat diamati dan diukur. Aliran panas, seperti halnya pelaksanaan
kerja adalah suatu proses dengan mana energi dalam suatu sistem berubah.
Perpindahan panas teknik. Dari titik pandang perekayasaan (engineering),
masalah kunci adalah penentuan laju perpindahan panas pada beda suhu yang
ditentukan. Untuk menaksir biaya, kelayakan, dan besarnya peralatan yang
diperlukan untuk memindahkan sejumlah panas tertentu dalam waktu yang
ditentukan, harus diadakan analisa perpindahan panas yang terperinci. Dalam
perpindahan
panas,
sebagaimana
dalam
cabang
perekayasaan
lainnya,
penyelesaian yang baik terhadap suatu soal memerlukan asumsi dan idealisasi.
Hampir tidak mungkin menguraikan fenomena fisik secara tepat, dan untuk
merumuskan suatu soal dalam bentuk persamaan yang dapat diselesaikan kita
perlu mengadakan beberapa asumsi. Contoh dalam perhitungan rangkaian listrik,
Universitas Sumatera Utara
misalnya, biasanya diasumsikan bahwa nilai tahanan, kapasitansi, dan induktansi
tidak
tergantung
pada
arus
yang
mengalir
melaluinya.
Asumsi
ini
menyederhanakan analisanya, tetapi dalam hal – hal tertentu dapat sangat
membatasi ketelitian hasilnya.
Bilamana diperlukan untuk membuat asumsi atau pengiraan dalam
penyelesaian suatu soal, maka perekayasaan harus mengandalkan akal dan
pengalamannya di masa lampau. Tidak ada panduan sederhana bagi soal yang
baru dan belum pernah dijamah, dan suatu asumsi yang benar bagi sebuah soal
mungkin menyesatkan dalam soal yang lain. Namun pengalaman menunjukkan,
bahwa syarat pertama dan utama untuk membuat asumsi atau pengiraan
perekayasaan yang baik adalah pengertian fisik yang menyeluruh dan mendalam
terhadap soal yang dihadapi. Di bidang perpindahan panas hal ini memerlukan
tidak hanya hukum – hukum dan mekanisme fisik dari aliran panas, tetapi juga
dari mekanika fluida, fisika dan matematika.
2.3.1 Cara perpindahan panas
Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari
satu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah
tersebut. Perpindahan panas pada umumnya mengenal 3 cara pemindahan panas
yang berbeda, yaitu:
1. Konduksi
Konduksi adalah proses dengan mana panas mengalir dari daerah yang
bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium
(padat, cair, dan gas) atau antara medium – medium yang berlainan yang
bersinggungan secara langsung. Konduksi merupakan satu – satunya mekanisme
dengan mana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya.
Konduksi penting pula dalam fluida, tetapi di dalam medium yang bukan padat
biasanya tergabung dengan konveksi, dan dalam beberapa hal juga dengan radiasi.
2. Konveksi
Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari
konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat
penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat
Universitas Sumatera Utara
dan cairan atau gas. Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi
bebas dan konveksi paksa menurut cara menggerakkan alirannya. Bila gerakan
mencampur berlangsung semata – mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan
yang disebabkan oleh gradien suhu, maka kita berbicara tentang konveksi bebas
(alamiah). Bila pergerakkan mencampurnya disebabkan oleh suatu alat dari luar,
seperti pompa atau kipas, maka proses ini disebut dengan konveksi paksa.
3. Radiasi
Radiasi adalah proses dengan mana panas mengalir dari benda yang
bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda – benda itu terpisah di
dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda – benda tersebut.
Istillah radiasi pada umumnya dipergunakan untuk segala jenis gelombang
elektromagnetik, tetapi didalam ilmu perpindahan panas kita hanya perlu
memperhatikan hal yang diakibatkan oleh suhu dan yang dapat mengangkut
energi melalui medium yang tembus cahaya atau melalui ruang. Energi yang
berpindah dengan cara ini diistilahkan sebagai panas radiasi.
2.3.2 Hukum – hukum dasar perpindahan panas
Menurut R. Pitts dan E. Sissom (1977) bahwa suatu analisa teknik yang
penuh arti akan menuntun jawaban kuantitatif. untuk itu kita akan membahas
tentang konduksi, konveksi dan radiasi.
1. Konduksi
Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi diusulkan
oleh ilmuwan Perancis, J. B. J. Fourier, dalam tahun 1882. Hubungan ini
menyatakan bahwa qk, laju aliran panas dengan cara konduksi dalam suatu bahan,
sama dengan hasil kali dari 3 buah besaran berikut yang dapat dilihat pada
persamaan 2.1:
= − . �.
Keterangan:
�
………
.
qk
= laju aliran panas (W)
k
= konduktivitas termal (W/m.K)
A
= luas penampang (m2)
Universitas Sumatera Utara
�
= gradien suhu pada penampang tersebut, yaitu laju perubahan
�
suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x.
Khusus pada bagian ini akan dibahas lebih detail pada skripsi dari saudara
Nixon
yang
berjudul
Membandingkan Hasil
”Analisa
Gearbox
dengan
Eksperimental Sebelum
Parameter
Thermal
dan Sesudah Dilakukan
Overhaul”.
2. Konveksi
Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan
suatu fluida dapat dihitung dengan rumus 2.2:
= ℎ . �. ∆ … … … .
Keterangan:
.
qc
= laju perpindahan panas dengan cara konveksi (W)
hc
= koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)
A
= luas perpindahan panas (m2)
∆T
= perubahan suhu permukaan Ts dan suhu fluida T∞ (K) dimana
data diambil dari hasil eksperimen.
Tabel 2.3 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi
Fluida
Koefisien Konveksi (W/m2K)
Udara
30 - 300
Air
300 - 6000
Oli
60 – 1800
Air mendidih
6000 – 120000
Sumber: http://www.slideshare.net/spsu/11-heat-transfer
3. Radiasi
Jumlah energi yang meninggalkan suatu permukaan sebagai panas radiasi
tergantung
pada suhu mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiasi yang
sempurna memancarkan energi radiasi dari permukaannya dengan laju
perpindahan yang ditulis dengan persamaan 2.3:
Universitas Sumatera Utara
= �. �. (
Keterangan:
−
)………
.
qr
= laju perpindahan panas radiasi (W)
�
= konstanta Stefan – Boltzmann = 5,678.10-8W/m2.K4
∆T
= perubahan suhu permukaan 1 dan 2 (K4) dimana data diambil
dari hasil eksperimen.
2.3.3 Mekanisme perpindahan panas gabungan
Menurut Prijono Arko (1985) bahwa dalam praktek biasanya panas
berpindah dalam tahap – tahap melalui sejumlah bagian yang berbeda yang
dihubungkan secara seri, dan untuk bagian tertentu dalam sistem tersebut
perpindahannya seringkali berlangsung dengan 2 mekanisme secara paralel.
Aliran perpindahan panas dapat dilihat pada gambar 2.3
qc
qc
Dindin
g
qk
dingin
panas
qr
Gambar 2.3 Aliran perpindahan panas
Dalam bagian pertama sistem ini, maka panas berpindah dari tempat
panas ke dinding dengan mekanisme konveksi dan radiasi yang bekerja secara
paralel. Laju aliran total aliran panas q ke dinding yang dinyatakan dengan
persamaan 2.4:
= ℎ . �. (
� �
−
−
��
= ℎ .� + ℎ .�
=
� �
�
��
� �
�
−
� �)
�
� �
��
+ ℎ . �. (
………
� �)
�
� �
−
��
�
� �)
.
Dalam keadaan steady, panas berkonduksi melalui dinding, yaitu bagian
kedua sistem tersebut, dengan laju yang sama dengan laju ke permukaan yang
dinyatakan dengan persamaa 2.5:
Universitas Sumatera Utara
=
=
��
=
.�
�
��
� �
−
�
�
� �
�
−
�
� � � ��
� � � ��
………
.
Setelah melalui dinding, panas mengalir melalui bagian ketiga sistem
tersebut ke zat pendingin dengan cara konveksi. Dengan asumsi bahwa
perpindahan panas radiasi dapat diabaikan dengan konveksi, laju aliran panas
dalam tahap terakhir dinyatakan dengan persamaan 2.6:
=
= ℎ . �. (
�
=
�
� � � ��
�
� � � ��
−
� ��
−
)
� ��
………
.
Jadi laju aliran panas total dapat dinyatakan dengan persamaan 2.7:
�
=
∆
………
� +� +�
.
2.3.4 Model numerik perpindahan panas
Pada analisis steady state termal dapat diselesaikan dengan model numerik
yaitu dengan menggunakan rumus dari hukum perpindahan panas gabungan yang
sudah dijelaskan pada subbab sebelumnya.
= . �. ∆ … … …
Dimana :
.
q
= laju perpindahan panas (W)
U
= jumlah dari rambatan konduksi dan konveksi yang terjadi (w/m2K)
A
= luas permukaan benda yang mengalami konduksi dan konveksi (m2)
∆
= perubahan suhu yang terjadi pada benda yang bersuhu tinggi dengan
benda bersuhu rendah (oC)
Dimana :
.� =
� +� +� +⋯+�
………
.
Universitas Sumatera Utara
Sehingga didapatkan rumus sebagai berikut:
=(
).∆ ………
� + � + ⋯+ �
.
Dari rumus diatas ini dapat dibuat matrik analisis steady state termal:
[ ] = [ ]. [ ] … … …
.
Untuk mendapatkan matriks dari ketiga elemen diatas maka harus dibuat dulu
gambar skets dari CAD agar lebih mudah dipahami.
R1
R7
R3
R5
R4
R1
R2
R3
R4
R1
R2
R6
R7
R6
R7
R5
R3
R4+R5
R1
R2
1/R3+1/(R4+R
5)5)
R6
R7
Maka dari hasil skets gambar 2D maka didapat hasil numerik dalam bentuk
matriks yaitu:
[ ].[ ] = [ ]
�
Universitas Sumatera Utara
1/
R1 -1/R1
1/ 1/R1+1
/R2
R1
0
0
-1/R2
0
1/R2+1/(R3+1/R 1/(R3+1/R4+1/R
4+1/R5)
5)
1/(R3+1/R4+1/R 1/(R3+1/R4+1/R
5)
5)+1/R6
0
-1/R2
0
0
0
0
0
-1/R6
0
0
0
0
0
0
T
1
0
0
T
2
q
2
0
T
3
q
3
0
-1/R6
0
1/R6+1 1/
/R7
R7
-1/R7
1/
R7
*
=
q
1
T
4
q
4
T
5
q
5
T
6
q
6
2.4 Perangkat Lunak yang Digunakan
Terdapat beberapa perangkat lunak yang digunakan dalam menganalisa
sistem perpindahan panas yang terjadi, yaitu sebagai berikut :
1. SolidWorks
Menurut Youzoef (2012) SolidWorks adalah salah satu CAD software
yang dibuat oleh dassault sistem digunakan untuk merancang part permesinan
atau susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan 3D untuk
merepresentasikan part sebelum dibuat atau tampilan 2D (drawing ) untuk gambar
proses permesinan. SolidWorks diperkenalkan pada tahun 1995 sebagai pesaing
untuk program CAD seperti Pro / ENGINEER, NX Siemens, I-Deas, Unigraphics,
Autodesk Inventor, Autodeks AutoCAD dan CATIA dengan harga yang lebih
murah. SolidWorks Corporation didirikan pada tahun 1993 oleh Jon
Hirschtick, dengan merekrut tim insinyur untuk membangun sebuah perusahaan
yang mengembangkan perangkat lunak CAD 3D, dengan kantor pusatnya di
Concord, Massachusetts, dan merilis produk pertama, SolidWorks 95, pada tahun
1995.
Pada tahun 1997 dassault sistem, yang terkenal dengan CATIA CAD
software, mengakuisisi perusahaan dan sekarang ini memiliki 100% dari saham
SolidWorks. SolidWorks dipimpin oleh John McEleney dari tahun 2001 hingga
Juli 2007, dan sekarang dipimpin oleh Jeff Ray. Saat ini banyak industri
Universitas Sumatera Utara
manufaktur
yang
sudah memakai
software
ini,
menurut
informasi
WIKI, SolidWorks saat ini digunakan oleh lebih dari 3 / 4 juta insinyur dan
desainer di lebih dari 80.000 perusahaan di seluruh dunia. Kalau dulu orang
familiar dengan AUTOCAD untuk desain perancangan gambar teknik seperti
yang penulis alami tapi sekarang dengan mengenal SOLIDWORKS maka
AUTOCAD sudah jarang dipakai. Tapi itu tentunya tergantung kebutuhan
masing-masing.
Untuk permodelan pada industri dalam hal pembuatan desain, program
program 3D seperti ini sangat membantu sebab akan memudahkan operator
desain untuk menterjemahkan gambar menjadi model dan tentunya akan
mengurangi kesalahan pembacaan gambar yang bisa mengakibatkan salah
bentuk. Untuk industri permesinan selain dihasilkan gambar kerja untuk
pengerjaan mesin manual juga hasil geometri dari SolidWorks ini bisa langsung
diproses lagi dengan CAM program semisal MASTERCAM, SOLIDCAM,
VISUALMILL, dll.
Gambar 2.4 SolidWorks
Universitas Sumatera Utara
2. Finite Element Analysis (FEA)
Proses FEA merupakan proses yang paling sering digunakan untuk
menganalisa suatu komponen. Karena pada proses ini akan diteliti lebih detail
sampai dengan elemen yang sangat kecil, sehingga hasil yang didapatkan akurat.
Untuk laporan ini, penulis menggunakan perangkat lunak yang dikenal dengan
sebutan Ansys15.0. Ansys15.0 berfungsi untuk menganalisis suhu yang terjadi
pada ruang transmisi tetapi untuk menganalisis suhu pada ruang transmisi harus
didampingi dengan statik struktur karena terdapat putaran pada sistem transmisi.
Analisis statik struktur ini dapat memasukkan beberapa gaya yang dialami
oleh suatu sistem. Sedangkan pada steady state termal hanya dapat memasukkan
suhu, koefisien konveksi dan suhu radiasi yang dialami oleh suatu sistem. Pada
analisis static structural, hasil yang ingin didapatkan adalah total deformasi yang
terjadi pada desain CAD. Sedangkan pada analisis steady state termal, hasil yang
ingin didapatkan adalah laju perpindahan panas yang terjadi pada desain CAD.
Proses ini merupakan hasil dari pekerjaan perangkat lunak.
Gambar 2.5 Ansys15.0
2.5 Parameter Kelahiran Termal pada Gearbox
Berikut ini akan dijelaskan beberapa parameter yang dapat menyebabkan
kelahiran panas pada sistem transmisi, yaitu sebagai berikut:
1. Konstruksi gearbox. Konstruksi dari gearbox berupa desain maupun jenis
material yang digunakan dapat berpengaruh terhadap panas yang dihasilkan.
Perubahan suhu dapat dilihat dari penggunaan material yang berbeda.
2. Pusat konstrain. Pusat konstrain merupakan pusat tumpuan dari konstruksi
tersebut. Pusat konstrain yang berbeda dapat menghasilkan hasil yang berbeda
Universitas Sumatera Utara
pula
jika titik konstrain tidak dipasang secara keselurahan juga akan
menghasilkan total heatflux yang berbeda juga.
3. Kontak region. Kontak region merupakan tempat dimana terjadi kontak antar
roda gigi. Kontak region yang berbeda juga akan menghasilkan total heatflux
yang berbeda juga.
4. Frictionless support. Frictionless support merupakan tempat terjadinya
gesekan. Frictionless support yang berbeda juga akan menghasilkan total
heatflux yang berbeda juga.
5. Simulasi analisis termal. Simulasi dilakukan dengan Metode Elemen Hingga
dimana analisis dilakukan dengan analisa termal. Pada tahap awal dilakukan
pemodelan terlebih dahulu lalu dilakukan proses mesh dan peletakan pusat
konstrain. Lalu membangun model matematik matrik yang akan dieksekusi
perangkat lunak.
2.6 Tinjauan Peneliti Terdahulu
Pawan Kumar, dan Prof. M. Y. Patil (2013) meneliti tentang suhu pada
roda gigi ketika diberi beban dan tanpa diberi beban. Hasil penelitian adalah
bahwa suhu pada roda gigi tanpa beban adalah sebesar 45,352 ⁰C, dan suhu roda
gigi yang diberikan beban adalah sebesar 101,09 ⁰C.
P. D. Patel, dan D. S. Shah (2012) meneliti tentang analisis heatflux, dan
analisis termal stress. Hasil penelitian adalah mendapatkan tegangan ekuivalen
maksimum pada bagian atas casing dan bagian bawah casing. Serta mendapatkan
total deformasi maksimum pada casing gearbox tersebut.
Berikut ini akan dijabarkan tabel peneliti terdahulu yang dapat dilihat pada tabel
sebagai berikut:
Tabel 2.4 Peneliti Terdahulu
No
1
Peneliti
Judul
Variabel
Metodologi
Hasil
Penelitian
Penelitian
Pawan
Design and Independen:
Steady
Kumar,
Thermal
Thermal.
Suhu akhir
dan Prof. Analysis Of Dependen:
M.
Patil
Y. Helical
Gear
state Suhu
pada roda gigi
Desain CAD di tanpa
Material dan SolidWorks
kondisi batas
akhir
kemudian
diberi
beban
dan
di ketika
diberi
Universitas Sumatera Utara
Sambungan Tabel 2.4
analisis
di beban.
Ansys.
2
P.
D. Steady State Independen:
Thermal
Patel,
dan
D. Stress
S. Shah
Steady
State Tegangan
Tegangan
Thermal.
ekuivalen,
Proses analisis bagian
atas
dan
ekuivalen pada
Analysis Of total
dan
casing
Gearbox
penggambaran
pada
Casing
deformasi,
By suhu,
bagian
bawah casing,
heat CAD
Finite
flux
dilakukan
Element
Dependen:
software
Method
Material dan Ansys.
yang
terjadi
kondisi batas
pada
casing
di serta
total
deformasi
tersebut.
2.7 Kesimpulan
Dari tinjauan penelitian terdahulu, dapat disimpulkan bahwa analisis
steady state thermal dapat digunakan untuk melakukan analisis perubahan suhu
yang terjadi pada sistem saat mesin masih hidup. Namun terdapat beberapa
kekurangan, dimana analisis yang dilakukan tidak diberikan pembebanan. Dimana
seperti yang telah diketahui bahwa jika suatu mesin diberikan beban maka suhu
akan naik, tetapi hal ini tidak dapat dilakukan karena keterbatasan perangkat lunak
yang digunakan. Alhasil, maka untuk pembuktian tentang perpindahan panas yang
terjadi digunakan perangkat lunak yang seadanya.
Universitas Sumatera Utara