analisis pengaruh variasi geometri terhadap energi kinetik yang mampu disimpan oleh flywheel pada...

i

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

iii


ANALISIS PENGARUH VARIASI GEOMETRI TERHADAP ENERGI KINETIK YANG MAMPU DISIMPAN OLEH FLYWHEEL PADA SISTEM

ELECTRO-MECHANICAL KERS

TUGAS AKHIRDiajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknikpada

Bidang Studi DesainProgram Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :ARIYAMANGGALA ALPHAPUTRA YAPHET

NRP. 2107 100 162

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir:

1. Prof. Ir. I N. Sutantra, M.Sc., Ph.D.NIP. 195106051978031002

……… (Pembimbing)

2. Ir. J. LubiNIP. 194802201976031001

……… (Penguji I)

3. Ir. Abdul Aziz AhmadNIP. 194812201981031001

……… (Penguji II)

4. Dr. Ir. Agus Sigit Pramono, DEANIP. 196508101991021001

……… (Penguji III)

SURABAYAJULI, 2011

iv

v


ANALISIS PENGARUH VARIASI GEOMETRI TERHADAP ENERGI KINETIK YANG MAMPU DISIMPAN OLEH FLYWHEEL PADA SISTEM

ELECTRO-MECHANICAL KERS

Nama Mahasiswa : Ariyamanggala Alphaputra YaphetNRP : 2107 100 162Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITSDosen Pembimbing : Prof. Ir. I Nyoman Sutantra, M.Sc.,

Ph.D.

AbstrakKinetic Energy Recovery System (KERS) mampu

menyimpan energi kinetik ke dalam sebuah tempat penyimpanan yang kemudian langsung digunakan saat kendaraan berakselerasi. KERS secara umum terbagi menjadi dua yaitu mechanical KERS dan electrical KERS. Pengembangan yang dapat dilakukan adalah menggabungkan kedua sistem tersebut menjadi electro-mechanical KERS. Sayangnya informasi mengenai teknologi ini masih sangatlah kurang.

Tugas Akhir ini membahas mengenai pengaruh variasi geometri terhadap energi kinetik yang mampu disimpan oleh flywheel. Bentuk flywheel yang pada umumnya berbentuk silinder pejal akan divariasikan sedemikian rupa agar mencapai bentuk yang optimal.

Hasil dari penelitian ini adalah adanya peningkatan energi kinetik yang mampu disimpan dan tegangan ekuivalen seiring dengan pengurangan volume flywheel. Flywheel dengan pengurangan ketebalan 10 mm adalah geometri yang optimal.

Kata kunci : variasi geometri, energi kinetik, flywheel, tegangan ekuivalen (Von Mises), Kinetic Energy Recovery System (KERS), ANSYS 13.0.

vi

vii


ANALYSIS OF EFFECT OF GEOMETRIC VARIATION AGAINST KINETIC ENERGY THAT CAN BE STORED BY FLYWHEEL IN ELECTRO-

MECHANICAL KERS

Name : Ariyamanggala Alphaputra YaphetNRP : 2107 100 162Department : Mechanical Engineering FTI-ITSAcademic Supervisor : Prof. Ir. I Nyoman Sutantra, M.Sc.,

Ph.D.

AbstractKinetic Energy Recovery System (KERS) can stored kinetic

energy into storage and then using it when vehicle need an acceleration. KERS generally divide into two groups namely mechanical KERS and electrical KERS. Development that can be done is combining two systems into new technology named electro-mechanical KERS. Unfortunatelly, there are only few of information about this technology.

This final project discuss about the effect of geometric variation against kinetic energy that can be stored by flywheel. Flywheel that take a shape of solid cylinder will be variated to its optimal shape.

The result shown that energy kinetic that can be stored and equivalent stress will be increased along with decreased flywheel’s volume. Flywheel with 10 mm reduced thickness is the optimal geometry.

Keywords : geometric variation, kinetic energy, flywheel, equivalent stress (Von Mises), Kinetic Energy Recovery System (KERS), ANSYS 13.0.

viii

ix


KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Sanghyang Adi Buddha, Tuhan Yang Maha Esa sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Adapun tugas akhir merupakan salah satu syarat umum untuk menyelesaikan studi S1 di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Prof. Ir. I Nyoman Sutantra, M.Sc., Ph.D. selaku dosen

pembimbing.2. Bapak Ir. J. Lubi, Bapak Ir. Abdul Aziz Ahmad, dan Bapak

Dr. Ir. Agus Sigit Pramono, DEA selaku dosen penguji.3. Bachtiar Ismail serta Christina Limurti selaku orangtua serta

adik kandung, Bodhiyana B. Yaphet, yang telah memberikan dukungan materi dan moral untuk menyelesaikan pendidikan S1 di jurusan Teknik Mesin FTI-ITS.

4. Kekasih tercinta, Cynthia Katherina A.L.L, yang selalu mendukung penulis untuk menyelesaikan tugas akhir.

5. Teman-teman RELIGION yang terus menyemangati penulis untuk dapat segera menyelesaikan tugas akhir.

6. Tim Pembina Kerohanian Buddha (TPKB) ITS yang telah menjadi keluarga kedua serta membangun softskill penulis selama menempuh perjuangan di kampus ITS.

7. Teman-teman Sarekat Merah Rakyat Mesin (SMRM), angkatan M 50, warga Lab Desain, dan semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun. Akhir kata penulis mengharapkan tugas akhir ini dapat berguna bagi kita semua.

Surabaya, Juli 2011

Penulis

x

xi


DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................ iLEMBAR PENGESAHAN ..................................................... vABSTRAK ............................................................................... viiKATA PENGANTAR ............................................................. xiDAFTAR ISI ............................................................................ xiiiDAFTAR GAMBAR ............................................................... xvDAFTAR TABEL .................................................................... xviiBAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang .................................................. 11.2. Perumusan Masalah .......................................... 41.3. Batasan Masalah ................................................ 51.4. Tujuan & Manfaat ............................................ 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA2.1. Kajian Terdahulu .............................................. 72.2. Dasar Teori ......................................................... 10

2.2.1 Media Penyimpanan Energi ................... 102.2.2 Flywheel .................................................... 132.2.3 Tegangan pada Flywheel ........................ 142.2.4 Regangan pada Flywheel ........................ 162.2.5 Kriteria Kegagalan Von Mises ............... 162.2.6 Factor of Safety ........................................ 172.2.7 Material Komposit Carbon Fiber untuk

Flywheel .................................................... 172.2.8 Kinetic Energy Recovery System (KERS)

.................................................................... 212.2.9 Perangkat Lunak ANSYS ....................... 24

BAB III METODOLOGI3.1. Prosedur Penelitian ........................................... 253.2. Prosedur Perhitungan ....................................... 263.3. Diagram Alir Perhitungan ................................ 30

BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISIS DATA4.1. Data Flywheel ..................................................... 334.2. Contoh Perhitungan .......................................... 33

xii

4.2.1 Konversi Satuan Data Flywheel ............. 344.2.2 Mencari Volume Flywheel ...................... 354.2.3 Mencari Massa Flywheel ........................ 354.2.4 Mencari Momen Inersia Flywheel ......... 354.2.5 Mencari Energi Kinetik Flywheel .......... 354.2.6 Mencari Energi Kinetik Spesifik

Flywheel .................................................... 354.2.7 Mencari Tegangan Ekuivalen Flywheel

yang Menggunakan Satu Arah Susunan Komposit .................................................. 35

4.2.8 Mencari Properti dari Susunan Komposit .................................................. 37

4.2.9 Mencari Tegangan Batas Aman ............ 394.3. Analisis Data .............................................................. 42

4.3.1 Analisis Energi Kinetik Spesifik ............ 424.3.2 Analisis Tegangan Ekuivalen ................. 434.3.3 Pemilihan Flywheel ................................. 54

4.4. Perancangan Sistem Electro-Mechanical KERS .... 55BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan ........................................................ 575.2. Saran ................................................................... 58

DAFTAR PUSTAKA .............................................................. 59LAMPIRAN ............................................................................. 61BIOGRAFI PENULIS ............................................................. 63

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Grafik Produksi Minyak Bumi per Tahun .......... 2Gambar 1.2 Grafik Konsumsi Minyak Bumi per Tahun ........ 2Gambar 2.1 Permodelan Dua Dimensi pada Flywheel ........... 7Gambar 2.2 Permodelan Geometri Flywheel sesuai Variasi

Radiusnya .......................................................... 8Gambar 2.3 Perbandingan Distribusi Tegangan untuk

Masing-masing Geometri .................................. 9Gambar 2.4 Perbandingan Karakteristik Sistem

Penyimpanan terhadap Aplikasinya .................. 11Gambar 2.5 Perbandingan Ukuran dari Berbagai Media

Penyimpanan ...................................................... 12Gambar 2.6 Perbandingan Efisiensi dari Berbagai Media

Penyimpanan ...................................................... 12Gambar 2.7 Free Body Diagram Flywheel akibat Kecepatan

Sudut .................................................................. 14Gambar 2.8 Motor-Generator Unit ........................................ 22Gambar 2.9 Skematik dari KERS ........................................... 23Gambar 2.10 Flywheel pada KERS ........................................ 24Gambar 3.1 Flywheel Silinder Pejal ....................................... 26Gambar 3.2 Flywheel Silinder Pejal Dengan Variasi

Ketebalan ........................................................... 26Gambar 3.3 Spesifikasi Flywheel Silinder Pejal .................... 27Gambar 3.4 Spesifikasi Flywheel Dengan Variasi ................. 27Gambar 3.5 Flywheel Setelah Divariasi ................................. 28Gambar 4.1 Flywheel Sebelum Divariasi ............................... 34Gambar 4.2 Susunan Komposit |0|90|0|90|0|90|0|90| .............. 37Gambar 4.3 Distribusi Tegangan Untuk Setiap Radius ......... 39Gambar 4.4 Grafik Energi Kinetik Spesifik VS Pengurangan

Ketebalan ........................................................... 42Gambar 4.5 Simulasi Flywheel Sebelum Divariasi ................ 43Gambar 4.6 Susunan Komposit pada Flywheel Sebelum

Divariasi ............................................................. 44

xiv

Gambar 4.7 Simulasi Flywheel Dengan Pengurangan Ketebalan 10 mm ............................................... 45

Gambar 4.8 Susunan Komposit pada Flywheel Dengan Pengurangan Ketebalan 10 mm......................... 46


Gambar 4.10 Susunan Komposit pada Flywheel Dengan Pengurangan Ketebalan 20 mm ......................... 48





Gambar 4.15 Grafik Tegangan Ekuivalen VS Pengurangan Ketebalan ........................................................... 53

Gambar 4.16 Gambar 3D antara Flywheel Flybrid dan Simulasi ............................................................. 54

Gambar 4.17 Skematik dari Sistem Electro-Mechanical KERS ................................................................. 55

Gambar 4.18 Simulasi Motor-Generator Unit Dengan Flywheel Modifikasi .......................................... 56

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Variasi Radius untuk Setiap Jenis Flywheel .......... 8Tabel 2.2 Perbandingan Spesific Energy untuk Masing-

masing Geometri .................................................. 9Tabel 2.3 Perbandingan Berbagai Teknologi Penyimpanan .. 10Tabel 2.4 Properti Mekanikal Dari Berbagai Komposit ........ 21Tabel 4.1 Spesifikasi Flywheel .............................................. 33Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Energi Kinetik Spesifik ............ 42Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tegangan Ekuivalen ...................... 53Tabel 4.4 Perbandingan Flywheel Flybrid dan Simulasi ....... 54

xvi

xviii


BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangEnergi berasal dari bahasa Romawi Kuno yaitu ἐνέργεια energeia; yang memiliki pengertian secara harafiah adalah aktivitas atau operasi. Dari terminologi tersebut, energi dapat diartikan sebagai kemampuan dari sebuah sistem untuk melakukan suatu pekerjaan terhadap sistem lainnya. Energi tidak dapat dilihat namun dapat dirasakan keberadaannya. Hukum konservasi energi menyatakan bahwa total energi dalam suatu sistem yang terisolasi akan tetap sama sepanjang waktu. Hal ini berarti bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan. Energi hanya dapat ditransformasi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Contohnya seperti energi kimia pada makanan yang dikonsumsi akan berubah menjadi energi kinetik saat manusia beraktivitas. Setiap kegiatan yang dilakukan manusia membutuhkan energi. Kegiatan seperti bekerja ataupun beraktivitas lainnya akan menguras cadangan energi dalam tubuh manusia. Manusia kemudian mulai menciptakan peralatan untuk mempermudah suatu aktivitas. Peralatan ini tentunya memerlukan sumber energi seperti energi listrik ataupun energi kimia untuk dapat melakukan tugasnya. Semakin banyak peralatan yang diciptakan maka kebutuhan energi pun semakin meningkat. Sumber energi yang umum dijumpai merupakan sumber energi yang tidak terbarukan. Energi tidak terbarukan adalah sumber daya alam yang sulit untuk diproduksi kembali, contohnya seperti minyak bumi, gas bumi, dan batu bara. Sampai saat ini, minyak bumi masih memegang peranan penting sebagai sumber energi di berbagai sektor. Hal ini dikarenakan energi yang dikandung minyak bumi cukup besar serta proses pengolahan yang relatif lebih mudah dibandingkan sumber energi lainnya.

Jurusan Teknik MesinFakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 1

2

Di Indonesia pun, sumber energi didominasi oleh produk minyak bumi. Kebutuhan minyak bumi di Indonesia yang merupakan negara berkembang akan semakin meningkat seiring bertambahnya produktivitas dari berbagai sektor perekonomian.

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 20090.00

50,000,000.00

100,000,000.00

150,000,000.00

200,000,000.00

250,000,000.00

300,000,000.00

350,000,000.00

400,000,000.00

450,000,000.00

500,000,000.00

Produksi Minyak Bumi per Tahun

TAHUN

BARREL

Gambar 1.1 Grafik Produksi Minyak Bumi per Tahun

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 20090.00

50,000,000.00

100,000,000.00

150,000,000.00

200,000,000.00

250,000,000.00

300,000,000.00

350,000,000.00

400,000,000.00

450,000,000.00

500,000,000.00

Konsumsi Minyak Bumi per Tahun

TAHUN

BARREL

Gambar 1.2 Grafik Konsumsi Minyak Bumi per Tahun

Jurusan Teknik MesinFakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

3

Berdasarkan survey dari tahun 2000 hingga 2009, produksi minyak bumi di Indonesia cenderung menurun (Gambar 1.1) sedangkan konsumsinya relatif tetap (Gambar 1.2). Penurunan produksi disebabkan cadangan minyak bumi yang terus terkuras habis. Produk minyak bumi seperti Bahan Bakar Minyak (BBM) sangat dibutuhkan terutama pada sektor transportasi. Masyarakat membutuhkan sarana transportasi terutama untuk kehidupan sehari-hari. Sarana transportasi pribadi seperti motor maupun mobil memegang peranan penting bagi kelangsungan cadangan energi minyak bumi di Indonesia. Sering kali kendaraan pribadi tidak memiliki teknologi yang ramah lingkungan dan cenderung boros bahan bakar. Seiring perkembangan zaman, teknologi hemat energi dan ramah lingkungan seperti sistem hibrida mulai diterapkan pada kendaraan pribadi maupun umum.

Kendaraan hibrida atau hybrid vehicle adalah kendaraan yang menggabungkan dua atau lebih sistem tenaga sebagai penggerak. Sistem hibrida yang populer adalah Hybrid Electric Vehicle (HEV). HEV adalah kendaraan hibrida yang menggabungkan mesin pembakaran dalam dengan sistem motor listrik. HEV dirancang agar menggunakan sistem motor listrik saat melaju pada kecepatan rendah dan beralih menggunakan mesin pembakaran dalam saat melaju pada kecepatan tinggi atau membutuhkan akselerasi. Penggabungan dua sistem ini menyebabkan konsumsi bahan bakar menurun dan lebih ramah lingkungan. HEV generasi selanjutnya dilengkapi dengan teknologi pengereman regeneratif (regenerative braking). Pengereman regeneratif merupakan mekanisme untuk menyimpan energi kinetik yang cenderung berubah menjadi energi panas saat terjadi pengereman. HEV generasi baru dapat menyimpan energi kinetik yang terbuang saat pengereman ke dalam baterai sehingga baterai tidak perlu diisi ulang dari luar. Pengembangan teknologi terkini yang sedang populer adalah Kinetic Energy Recovery System (KERS).

Jurusan Teknik MesinFakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

4

Kinetic Energy Recovery System (KERS) sedikit berbeda dengan sistem pengereman regeneratif. KERS menyimpan energi kinetik ke dalam sebuah tempat penyimpanan yang kemudian langsung digunakan saat kendaraan berakselerasi. Perbedaan yang mendasar adalah penggunaan energi kinetik yang telah disimpan. Pada pengereman regeneratif, energi yang disimpan digunakan untuk menggerakkan sistem motor listrik sedangkan energi pada KERS digunakan untuk mengurangi beban mesin pembakaran internal. Kendaraan yang memiliki teknologi KERS hanya memerlukan satu mesin penggerak yaitu mesin pembakaran dalam sehingga instalasi permesinannya tidak terlalu rumit dan hemat ruangan. KERS secara umum terbagi menjadi dua yaitu mechanical KERS dan electrical KERS. Mechanical KERS menggunakan roda gila (flywheel) sebagai media penyimpanan sedangkan electrical KERS menggunakan baterai. Pengembangan yang dapat dilakukan adalah menggabungkan sistem mechanical dengan electronical menjadi teknologi yang disebut electro-mechanical KERS. Sayangnya informasi mengenai teknologi KERS masih sangat kurang. Pengembangan KERS sendiri masih terhambat karena aplikasinya baru digunakan pada mobil balap Formula 1. Oleh karena itu, penulis berniat melakukan penelitian berkaitan dengan electro-mechanical KERS seperti perancangan aliran energi pada sistem dan perancangan komponen utama melalui simulasi perangkat lunak.

1.2 Perumusan MasalahPermasalahan yang ingin dibahas adalah kurangnya

informasi mengenai KERS seperti alur aliran energi pada sistem serta bentuk media penyimpanan energi yang optimal. Penulis mencoba mengembangkan teknologi yang telah ada yaitu merancang permodelan sistem electro-mechanical KERS. Penulis juga meneliti mengenai hubungan antara bentuk geometri dari roda gila (flywheel) terhadap kemampuan menyimpan energi kinetik menggunakan bantuan perangkat lunak.



5

1.3 Batasan MasalahBatasan masalah pada penelitian ini adalah:1. Perancangan tidak mengkaji masalah sistem kontrol.2. Flywheel diasumsikan dalam steady state.3. Energi kinetik yang mampu disimpan flywheel

diasumsikan hanya dipengaruhi oleh bentuk geometri.

4. Kecepatan sudut flywheel telah ditentukan sebelumnya berdasarkan referensi yang ada.

5. Geometri flywheel telah ditentukan sebelumnya berdasarkan referensi yang ada.

6. Material flywheel telah ditentukan sebelumnya berdasarkan referensi yang ada.

7. Analisa kegagalan flywheel berdasarkan kriteria Von Mises dan dibantu oleh perangkat lunak ANSYS 13.0.

1.4 Tujuan & ManfaatAdapun beberapa tujuan dan manfaat dari penelitian ini:1. Mengetahui pengaruh pengurangan ketebalan dari

flywheel terhadap energi kinetik yang dapat disimpan.

2. Mengetahui pengaruh pengurangan ketebalan dari flywheel terhadap tegangan ekuivalen yang terjadi.

3. Mengetahui bentuk optimal flywheel yang memiliki energi kinetik spesifik terbesar dengan tegangan ekuivalen sekecil mungkin.

4. Mengetahui hasil perbandingan antara flywheel hasil simulasi dengan flywheel buatan Flybrid.


6




BAB IIKAJIAN PUSTAKA

2.1. Kajian TerdahuluMehmed Ali Arslan (2007) melakukan penelitian mengenai

pengaruh bentuk geometri dari flywheel terhadap spesific energy yang mampu ditampungnya. Material yang digunakan untuk simulasi adalah AISI 1006 Steel (cold drawn), dengan modulus elastisitas sebesar 205 GPa, massa jenis sebesar 7.872 g/cc, Poisson’s ratio sebesar 0.29 dan tegangan luluh sebesar 290 MPa. Permodelan dua dimensi menggunakan perangkat lunak ANSYS seperti pada gambar 2.1 dengan cara memberikan variasi radius untuk setiap titik sesuai tabel 2.1 sehingga didapatkan variasi geometri flywheel pada gambar 2.2.

Gambar 2.1 Permodelan Dua Dimensi pada Flywheel


8

Tabel 2.1 Variasi Radius untuk Setiap Jenis Flywheel

Gambar 2.2 Permodelan Geometri Flywheel sesuai Variasi Radiusnya

Penelitian kemudian dilanjutkan dengan menganalisa spesific energy masing-masing geometri menggunakan perangkat lunak ANSYS / LSDYNA. Hasil dari simulasi ini ditabelkan pada tabel 2.2. Langkah terakhir yaitu memodelkan distribusi tegangan berdasarkan variasi geometri. Hasil dari simulasi ini ditunjukkan pada gambar 2.3. Kesimpulan dari penelitian ini adalah geometri flywheel pada Case 6 menghasilkan spesific energy yang paling bagus serta distribusi tegangan yang merata dibandingkan geometri lainnya.



9

Tabel 2.2 Perbandingan Spesific Energy untuk Masing-masing Geometri

Gambar 2.3 Perbandingan Distribusi Tegangan untuk Masing-masing Geometri


10

2.2. Dasar Teori2.2.1. Media Penyimpanan Energi

Setiap teknologi memiliki beberapa keterbatasan atau kekurangan yang membuatnya ekonomis hanya untuk berbagai aplikasi yang terbatas. Kemampuan masing-masing teknologi untuk daya tinggi dan aplikasi energi tinggi ditunjukkan pada tabel 2.3.

Tabel 2.3 Perbandingan Berbagai Teknologi Penyimpanan

Aplikasi penyimpanan energi listrik dapat dibagi dalam tiga kategori fungsional utama yaitu :1. Power Quality. Energi tersimpan hanya digunakan dalam

hitungan detik atau kurang untuk menjamin kelangsungan daya yang berkualitas.



11

2. Bridging Power. Energi tersimpan digunakan dalam hitungan detik hingga menit untuk menjamin kelangsungan pelayanan ketika berpindah dari satu sumber ke sumber yang lain.

3. Energy Management. Media penyimpanan digunakan untuk mengatur waktu konsumsi energi listrik. Aplikasi umum yang sering dijumpai adalah untuk meratakan beban, yang melibatkan pengisian penyimpanan ketika biaya energi rendah dan pemanfaatan ketika diperlukan. Energi tersimpan digunakan dalam hitungan berjam-jam.

Gambar 2.4 Perbandingan Karakteristik Sistem Penyimpanan terhadap Aplikasinya

Ukuran dan berat perangkat penyimpanan energi merupakan faktor penting untuk aplikasi tertentu. Baterai Metal-Air memiliki kepadatan energi tertinggi. Namun, baterai jenis isi ulang elektrik, seperti baterai Zinc-Air, memiliki siklus hidup yang relatif kecil dan masih dalam tahap pengembangan.


12

Gambar 2.5 Perbandingan Ukuran dari Berbagai Media Penyimpanan

Gambar 2.6 Perbandingan Efisiensi dari Berbagai Media Penyimpanan



13

2.2.2. FlywheelFlywheel adalah perangkat mekanis yang digunakan

sebagai media penyimpanan energi rotasi. Flywheel menahan perubahan kecepatan rotasi, yang membantu kestabilan rotasi poros ketika terjadi fluktuasi torsi.

Energi kinetik dari flywheel dapat dinyatakan sebagai:

E f=12

I .ω2 ............................................................................ (2.1)

dimana:Ef = energi kinetik flywheel (Nm; Joule)I = momen inersia massa (kg-m2)ω = kecepatan sudut (rad/s)

Momen Inersia Massa dari Silinder Berongga:

I=12

.m.(ro2+ri

2) ............................................................... (2.2)

dimana:m = massa flywheel (kg)ro = radius luar (m)ri = radius dalam (m)

Volume dari Silinder Berongga:V=π (ro

2−r i2)h .................................................................. (2.3)

dimana:ro = radius luar (m)ri = radius dalam (m)h = tebal silinder (m)


14

2.2.3. Tegangan pada Flywheel

Gambar 2.7 Free Body Diagram Flywheel akibat Kecepatan Sudut

Tegangan yang terjadi pada flywheel akibat kecepatan sudut adalah tegangan ke arah radial (radial stress) dan tegangan ke arah tangensial (tangential stress). Perumusan kedua tegangan tersebut adalah sebagai berikut:

σ r=ρ v2( ν+38 )[1+( r i

r o)

2

−( rr o

)2

−( r i

r )2] ......................... (2.4)

σ t= ρ v2( ν+38 )[1+( ri

r o)

2

−(3 ν+1ν+3 )( r

ro)

2

+(r i

r )2] .............. (2.5)



15

Tegangan radial maksimum terjadi pada r=√rir o sehingga:

σ r max=ρ v2( ν+38 )(1− ri

ro)

2

................................................ (2.6)

Tegangan tangensial maksimum terjadi pada r=ri sehingga:

σ t max=ρ v2( ν+34 )[1+ 1−ν

ν+3 ( ri

r o)

2] ....................................... (2.7)

dimana:σr = radial stress (Pascal)σt = tangential stress (Pascal)ρ = massa jenis (kg/m

3)v = ro x ω; kecepatan tangensial (m/s)ro = radius luar (m)ri = radius dalam (m)r = radius dimana tegangan terjadi (m)ν = poisson’s ratio

Sedangkan percepatan sudut akan menghasilkan torsi dengan rumusan sebagai berikut:T=I . α ................................................................................... (2.8)dimana:I = momen inersia massa (kg-m2)α = percepatan sudut (rad/s2)

Tegangan yang terjadi pada flywheel akibat percepatan sudut adalah tegangan geser (shear stress) yang ditunjukkan dengan perumusan sebagai berikut:

τ xy=TrJ

.................................................................................. (2.9)

dimana:T = torsi (Nm, Joule)r = radius dimana tegangan terjadi (m)


16

J = momen inersia polar (m4)



17

Momen Inersia Polar dari Silinder Berongga:

J= π2

(ro4−ri

4) ................................................................... (2.10)

dimana:ro = radius luar (m)ri = radius dalam (m)

2.2.4. Regangan pada FlywheelRegangan yang terjadi dapat diketahui dari rumusan

berikut:

E=σε

.................................................................................... (2.11)

ε= σE

....................................................................................

(2.12)dimana:E = modulus elastisitas (Pascal)σ = tegangan (Pascal)ε = regangan (m/m)

2.2.5. Kriteria Kegagalan Von MisesTegangan ekuivalen atau tegangan Von Mises digunakan

untuk memperkirakan titik luluh dari material akibat adanya beban multiaxial. Perumusannya adalah:S yp

N≥√σ1

2+σ 22−σ1 σ2 ................................................... (2.13)

dimana:Syp = tegangan yield materialN = angka keamananσ1 = tegangan prinsipal pertamaσ2 = tegangan prinsipal kedua

Tegangan prinsipal:


18

σ 1, σ2=σ x+σ y

2±√( σx−σ y

2 )2

+τ xy2 .................................... (2.14)

dimana:σx = tegangan normal arah sumbu xσy = tegangan normal arah sumbu yτxy = tegangan geser arah sumbu xy2.2.6. Factor of Safety

Factor of safety atau angka keamanan adalah istilah yang menggambarkan kapasitas struktural dari sistem di luar beban yang diharapkan atau beban aktual. Banyak sistem yang sengaja dibangun lebih kuat dari yang dibutuhkan untuk penggunaan normal untuk memungkinkan untuk situasi darurat, beban tak terduga, penyalahgunaan, atau degradasi.

Apabila tegangan yang terjadi aktual lebih besar dari yang dirancang maka benda tersebut akan mengalami kegagalan. Berikut ini beberapa dasar pemilihan angka keamanan: N = 1,25 – 1,5 untuk material yang sangat handal dengan

kondisi yang terkontrol dan besarnya beban atau tegangan dapat dipastikan.

N = 1,5 – 2 untuk material yang umum diketahui dan besarnya beban atau tegangan dapat diukur.

N = 2 – 2,5 untuk material yang jarang digunakan dan besarnya beban atau tegangan dapat diketahui.

N = 2,5 – 3 untuk material yang getas serta jarang digunakan dan besarnya beban atau tegangan dapat diperkirakan.

N = 3 – 4 untuk material yang belum pernah diuji coba dan besarnya beban atau tegangan dapat diperkirakan.

N = 3 – 4 juga dapat digunakan untuk material yang cukup umum namun berada dalam lingkungan yang tidak umum dan besarnya beban atau tegangan tidak dapat diperkirakan.

Material getas hanya memiliki ultimate strength sehingga angka keamanan di atas harus digandakan dua kali lipat.



19

2.2.7. Material Komposit Carbon Fiber untuk FlywheelEnergi kinetik pada flywheel dapat ditingkatkan

berdasarkan dua variabel yaitu menambah massa flywheel atau mempercepat putaran. Dalam putaran yang sangat tinggi, metal flywheel dapat rusak dengan sendirinya akibat adanya tegangan geser yang berlebih. Media penyimpanan energi seperti flywheel lebih dipengaruhi oleh kecepatan putaran daripada massa. Jadi, composite flywheel yang lebih ringan dan kuat mampu menyimpan energi kinetik lebih besar dibandingkan dengan metal flywheel.

Energi kinetik yang mampu disimpan flywheel bergantung pada pemilihan material. Energi kinetik akan sebanding dengan specific tensile strength dari material tersebut. Material yang memiliki tensile strength tinggi serta massa jenis rendah akan mampu menyimpan energi kinetik yang lebih besar. Oleh karena itu, material yang dipertimbangkan adalah carbon fiber.

Carbon fiber merupakan material orthotropic dimana properti mekanisnya berbeda secara ortogonal (berbeda antara sudut 0 derajat dengan 90 derajat). Carbon fiber akan lebih kuat menahan beban bila beban searah dengan serat karbon. Pada umumnya, pembebanan terjadi secara kompleks dimana arah pembebanan multiaxial. Oleh karena itu, carbon fiber perlu disusun berlapis-lapis dengan orientasi sudut serat yang berbeda agar mampu mengatasi beban multiaxial tersebut. Apabila beban multiaxial dapat teratasi maka benda kerja tidak akan berdeformasi. Dengan menggabungkan beberapa lapis carbon fiber yang berorientasi berbeda maka akan menghasilkan properti mekanis yang berbeda dengan satu lapis carbon fiber saja.

Hubungan tegangan dan regangan untuk satu lapis unidirectional carbon fiber yaitu:


20

[ σ 1

σ 2

τ12]=[Q11 Q12 0

Q 12 Q22 00 0 Q66

][ ε1

ε2

γ 12] ......................................... (2.15)

Q11=E1

1−ν21 ν12 ......................................................................

(2.16)

Q12=ν12 E2

1−ν21 ν12 ......................................................................

(2.17)

Q22=E2

1−ν21ν12 ......................................................................

(2.18)Q66=G12 ............................................................................. (2.19)ν12

E1

=ν21

E2 ................................................................................

(2.20)dimana:E1 = modulus elastisitas arah sumbu xE2 = modulus elastisitas arah sumbu yν12 = general poisson’s ratioν21 = minor poisson’s ratioG12 = in-plane shear modulus

Untuk angle (θ) carbon fiber, Hubungan tegangan dan regangan per lapisnya adalah:

[ σ x

σ y

τ xy]=[Q11 Q12 Q16

Q12 Q22 Q26

Q16 Q26 Q66][ ε x

ε y

γ xy] ......................................... (2.21)

Q11=Q11 c4+Q22 s4+2(Q12+2Q 66)s2c2 ..................... (2.22)

Q12=(Q11+Q 22−4 Q66 ) s2 c2+Q12(c4+s4) ............... (2.23)



21

Q22=Q11 s4+Q22c4+2(Q 12+2 Q66)s2 c2 ..................... (2.24)

Q16=(Q 11−Q12−2 Q66 ) c3 s− (Q22−Q12−2Q 66) s3 c (2.25)

Q26=(Q 11−Q12−2 Q66 ) c s3−(Q22−Q12−2Q 66) sc3 (2.26)

Q66=(Q 11+Q22−2Q 12−2Q66 ) s2 c2+Q66(c4+s4) .. (2.27)

c=cosθ .............................................................................. (2.28)s=sinθ ............................................................................... (2.29)

Untuk carbon fiber yang disusun berlapis-lapis, properti mekanisnya adalah:

[ ε x0

ε y0

γ xy0]=[ A11

¿A12

¿A16

¿

A12¿ A22

¿ A26¿

A16¿ A26

¿ A66¿] [ N x

N y

N xy] .................................. (2.30)

dimana:Nx, Ny = normal force per unit lengthNxy = shear force per unit lengthεx

0 = midplane strains arah sumbu xεy

0 = midplane strains arah sumbu yγxy

0 = midplane strains arah sumbu xy

[ A¿ ]=[ A ]−1 ......................................................................... (2.31)

Aij=∑ [Q ij]k (hk−hk−l) ..................................................... (2.32)dimana:ij bernilai 11; 12; 16; 22; 26; 66k = lapisan ke-h = tebal lapisanl = tebal satu lapis carbon fiber

E x=1

h A11¿ .............................................................................

(2.33)


22

E y=1

h A22¿ .............................................................................

(2.34)

G xy=1

h A66¿ ...........................................................................

(2.35)

νxy=−A12

¿

A11¿ .......................................................................... (2.36)

ν yx=−A12

¿

A22¿ .......................................................................... (2.37)

dimana:Ex = effective in-plane longitudinal modulusEy = effective in-plane transverse modulusGxy = effective in-plane shear modulusνxy = effective in-plane poisson’s ratioνyx = effective in-plane poisson’s ratio



23

Tabel 2.4 Properti mekanikal dari berbagai komposit

2.2.8. Kinetic Energy Recovery System (KERS)KERS menyimpan energi ketika terjadi pengereman dan

langsung digunakan ketika akselerasi. Selama pengereman, energi terbuang karena sebagian besar energi kinetik diubah menjadi energi panas dan hilang ke lingkungan. Kendaraan dengan KERS dapat memanfaatkan sebagian dari energi kinetik dan akan membantu pengereman.

KERS membutuhkan dua elemen dasar. Pertama, cara untuk menyimpan dan menggunakan kembali energi ke powertrain; kedua, tempat untuk menyimpan energi ini. Ada tiga jenis dasar sistem KERS: electronic, electro-mechanical, dan mechanical. Perbedaan utama dari ketiga sistem tersebut adalah cara mengkonversi energi dan penyimpanannya.

Electronic KERSGaya pengereman ditangkap oleh Motor – Generator Unit

(MGU) yang dipasang di crankshaft mesin. MGU mengambil energi listrik yang didapat dari energi kinetik dan menyimpannya dalam baterai. Sebuah tombol Booster digunakan untuk


24

mengalirkan kembali energi yang telah tersimpan pada baterai sebagai penggerak MGU.

Electro-Mechanical KERSEnergi tidak disimpan dalam baterai atau super-kapasitor,

melainkan menggunakan flywheel untuk menyimpan energi kinetis. Sistem ini merupakan sebuah baterai elektro-mekanis. Oleh karena ruang yang terbatas dalam mobil balap sehingga unit haruslah kecil dan ringan. Flywheel haruslah berputar sangat cepat hingga 50.000 - 160.000 rpm untuk mencapai energy density yang cukup. Kerugian aerodinamik dan penumpukan panas dapat diminimalkan apabila flywheel ditempatkan di ruangan hampa udara. Flywheel yang digunakan merupakan Magnetic Loaded Composite (MLC). Flywheel tetap utuh pada kecepatan tinggi karena terbuat dari serat berkekuatan tinggi. Serat ini memiliki partikel logam tertanam di dalamnya yang memungkinkan flywheel menjadi sebuah magnet permanen. Flywheel akan berfungsi sebagai sebuah MGU. Apabila stator berputar maka listrik dapat dihasilkan (berfungsi sebagai generator) sedangkan bila listrik dialirkan kembali ke stator maka stator akan berputar (berfungsi sebagai motor).

Gambar 2.8 Motor-Generator Unit

Mechanical KERSSistem ini menggunakan flywheel sebagai media

penyimpanan energi serta sistem transmisi untuk mendistribusikan energinya kembali. Energi kinetik dari



25

kendaraan berakhir sebagai energi kinetik pada flywheel melalui sistem transmisi. Metode penyimpanan secara mekanis tidak menyebabkan kerugian energi yang besar karena tidak memerlukan konversi energi. Untuk mengatasi perubahan terus-menerus pada rasio kecepatan antara roda gila dan roda, sistem Continously Variable Transmission (CVT) digunakan, yang dikontrol oleh sebuah sistem kontrol elektro-hidrolik. Clutch digunakan untuk memisahkan sistem apabila tidak digunakan.

Gambar 2.9 Skematik dari KERS

Sistem KERS pertama diciptakan oleh perusahaan Flybrid. Sistem ini memiliki berat 24 kg dan memiliki kapasitas energi netto 400 kJ. Sistem ini menghasilkan daya maksimum 60 kW (81,6 PS, 80,4 HP) selama 6,67 s. Diameter flywheel sebesar 240 mm dengan massa sebesar 5,0 kg dan putarannya mencapai


26

64.500 rpm. Torsi maksimum adalah 18 Nm (13,3 ft-lbs). Sistem ini memakan ruangan sebesar 13 liter.

Gambar 2.10 Flywheel pada KERS

2.2.9. Perangkat Lunak ANSYSANSYS merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk

membantu simulasi masalah engineering. ANSYS berbasis metode elemen hingga dan dapat menyelesaikan berbagai permasalahan seperti analisa static stress, analisa thermal, analisa modal, analisa frequency response, dan simulasi transient.



BAB IIIMETODOLOGI

3.1. Prosedur PenelitianPenulis memulai penelitian dari mencari topik yang sesuai

dengan bidang studi desain. Dasar pemilihan topik adalah semakin langkanya pasokan sumber energi terutama bahan bakar minyak yang pemakaiannya didominasi sektor transportasi. Oleh karena itu, penulis ingin melakukan penelitian mengenai sistem penghemat energi pada kendaraan. Penulis akhirnya memilih topik mengenai Electro-Mechanical Kinetic Energy Recovery System (KERS). Setelah memilih topik, penulis mencoba merumuskan permasalahan yang akan dikaji dan memberi pembatasan agar penelitian lebih spesifik dan mudah.

Penulis kemudian melakukan kajian penelitian terdahulu yang mendukung penelitian sesuai perumusan masalah. Kajian terdahulu memberikan referensi bahwa dengan merubah bentuk geometri pada flywheel dapat mempengaruhi energi kinetik spesifiknya. Penulis akan membahas mengenai pengaruh variasi geometri terhadap energi kinetik yang mampu disimpan oleh flywheel yang digunakan di sistem Electro-Mechanical KERS. Selanjutnya penulis mencari referensi beserta teori yang mendukung penelitian ini. Komponen penting pada Electro-Mechanical KERS adalah Motor-Generator Unit. MGU yang pada umumnya ditunjukkan pada gambar 2.8. MGU pada Electro-Mechanical KERS memiliki sedikit perbedaan dimana rotor yang digunakan merupakan composite flywheel. Bentuk flywheel pada umumnya ditunjukkan oleh gambar 3.1 kemudian penulis mencoba mengurangi volume flywheel secara bertahap hingga seperti pada gambar 3.2. Penulis ingin mendapatkan bentuk flywheel optimal yang mampu menyimpan energi kinetik sebanyak mungkin.


28

Gambar 3.1 Flywheel Silinder Pejal

Gambar 3.2 Flywheel Silinder Pejal Dengan Variasi Ketebalan

3.2. Prosedur PerhitunganLangkah-langkah perhitungan pada penelitian ini yaitu:1. Material flywheel telah ditentukan yaitu menggunakan

Standard Carbon Fiber UniDirectional (Std CF UD) dengan karakteristik yang telah ditunjukkan pada bab sebelumnya.

2. Menentukan putaran flywheel yaitu 64.500 rpm sesuai referensi yang ada.

3. Geometri flywheel ditentukan yaitu silinder pejal dengan diameter 240 mm dan tebal 100 mm.



29

Gambar 3.3 Spesifikasi Flywheel Silinder Pejal

4. Geometri flywheel kemudian divariasikan sesuai gambar 3.4 dengan pengurangan ketebalan berbentuk lingkaran dari kedua sisi sedalam 10 mm.

Gambar 3.4 Spesifikasi Flywheel Dengan Variasi


30

5. Mencari volume dari masing-masing area flywheel sesuai rumusan berikut:

V=π (ro¿¿2−r i2)h¿

6. Mencari massa dari masing-masing area flywheel sesuai rumusan berikut:

m=ρV 7. Mencari momen inersia dari masing-masing area flywheel

sesuai rumusan berikut:

I=12

.m.(ro2+ri

2)

8. Mencari energi kinetik dari flywheel sesuai rumusan berikut:

E f=12

I total .ω2

9. Mencari energi kinetik spesifik dari flywheel sesuai rumusan berikut:

E fs=E f

m

10. Mengulang langkah 5 dan seterusnya hingga pengurangan ketebalan sedalam 40 mm.



31

Gambar 3.5 Flywheel Setelah Divariasi11. Plot grafik Energi Kinetik Spesifik VS Pengurangan

Ketebalan Flywheel.12. Menghitung tegangan ekuivalen (Von Mises) yang terjadi

di flywheel apabila hanya menggunakan satu susunan arah carbon fiber yang sama.

13. Membandingkan tegangan yang diizinkan dengan tegangan ekuivalen (Von Mises) berdasarkan rumusan berikut:

Su

6≥√σ1

2+σ22−σ 1σ 2

14. Mencari properti komposit carbon fiber gabungan dari flywheel.

15. Mencari tegangan ekuivalen (Von Mises) dari flywheel menggunakan bantuan perangkat lunak ANSYS 13.0.

16. Plot grafik Tegangan Ekuivalen VS Pengurangan Ketebalan Flywheel.

17. Menentukan ukuran flywheel yang optimal.18. Perancangan sistem electro-mechanical KERS berdasarkan

referensi dari bab sebelumnya.


32

3.3. Diagram Alir Perhitungan



33


34



BAB IVPERHITUNGAN DAN ANALISIS DATA

4.1 Data FlywheelTabel 4.1 Spesifikasi FlywheelDiameter poros 10 mmDiameter terluar 240 mmPengurangan ketebalan 10 s/d 40 mmPutaran 64.500 RPMWaktu untuk mencapai putaran 7 detikMaterial Carbon Fiber UniDirectionalSusunan Komposit |0|90|0|90|0|90|0|90|Massa Jenis 1,6 gram/ccModulus Young arah x 135 GPaModulus Young arah y 10 GPaModulus Geser 5 GPaPoisson’s Ratio 0.3Ultimate Tensile Strength arah x

1500 MPa

Ultimate Tensile Strength arah y

50 MPa

Ultimate Shear Strength 70 MPaUltimate Tensile Strain arah x 1,05%Ultimate Tensile Strain arah y 0,5%Ultimate Shear Strain 1,4%

4.2 Contoh PerhitunganPada contoh perhitungan ini, data yang dipakai sebagai

dasar perhitungan adalah flywheel yang belum divariasi.


36

Gambar 4.1 Flywheel Sebelum Divariasi

4.2.1 Konversi Satuan Data FlywheelDiketahui putaran flywheel sebesar: n=64.500 RPM Maka kecepatan sudutnya sebesar:

ω=64.500 x2 π60

=6754,4242rads

Diketahui waktu mencapai kecepatan sudut sebesar: t=7 s Maka percepatan sudut sebesar:

α=6754,42427

=964,9177rad

s2

Diketahui jari-jari luar flywheel sebesar: r0=0,120 m Diketahui jari-jari dalam flywheel sebesar: ri=0,005m Diketahui ketebalan flywheel sebesar: h=0,100 m

Diketahui massa jenis flywheel sebesar: ρ=1,6 x103 kg

m3



37

4.2.2 Mencari Volume FlywheelVolume dari flywheel dapat diketahui berdasarkan rumusan

berikut:

V=π (ro2−ri

2 )h=π ( 0,1202−0,0052 ) 0,100

¿4,5160 x 10−3 m3

4.2.3 Mencari Massa FlywheelMassa dari flywheel dapat diketahui berdasarkan rumusan

berikut:m=ρV =1,6 x103 x 4,5160 x 10−3=7,2256 kg

4.2.4 Mencari Momen Inersia FlywheelMomen inersia dari flywheel dapat diketahui berdasarkan

rumusan berikut:

I=12

.m. (r o2+ri

2)=12

.7,2256 . (0,1202+0,0052)

¿0,0521 kg . m2

4.2.5 Mencari Energi Kinetik FlywheelEnergi kinetik dari flywheel dapat diketahui berdasarkan

rumusan berikut:

E f=12

I .ω2=12

0,0521. 6754,42422

¿1.188 .459,5150 J=1.188,4595 KJ

4.2.6 Mencari Energi Kinetik Spesifik FlywheelEnergi kinetik spesifik dari flywheel dapat diketahui

berdasarkan rumusan berikut:

E fs=E f

m=1.188,4595

7,2256=164,4790

KJkg

4.2.7 Mencari Tegangan Ekuivalen Flywheel yang Menggunakan Satu Arah Susunan Komposit


38

Berikut ini adalah perhitungan mengenai tegangan ekuivalen yang terjadi pada flywheel apabila susunan komposit hanya satu arah saja (nol derajat).Tegangan Radial Maksimum yang terjadi dapat diketahui berdasarkan rumusan berikut:

σ r max=ρ v2( ν+38 )(1− ri

ro)

2

¿1,6 x103.(0,120 x 6754,4242)2( 0,3+38 )(1−0,005

0,120 )2

¿398,2138 MPa Tegangan Tangensial Maksimum yang terjadi dapat diketahui berdasarkan rumusan berikut:

σ t max=ρ v2( ν+34 )[1+ 1−ν

ν+3 ( ri

r o)

2] ¿1,6 x103. (0,120 x6754,4242 )2( 0,3+3

4 )x

[1+ 1−0,30,3+3 ( 0,005

0,120 )2]

¿867,5070 MPa Torsi yang terjadi dapat diketahui berdasarkan rumusan berikut:T=I . α=0,0521 x 964,9177=50,2722 Nm Momen inersia polar dari flywheel dapat diketahui berdasarkan rumusan berikut:

J= π2

(ro4−r i

4 )=J= π2

(0,1204−0,0054 )=3,2572 x 10−4m4

Tegangan Geser Maksimum yang terjadi dapat diketahui berdasarkan rumusan berikut:

τ xy=T r o

J=50,2722 x0,120

3,2572 x10−4 =0,0185 MPa

Tegangan prinsipal dapat diketahui berdasarkan rumusan berikut:



39

σ 1=σx+σ y

2+√( σ x−σ y

2 )2

+τ xy2

¿ 867,5070+398,21382

+√( 867,5070−398,21382 )

2

+0,01852

¿632,8604+234,6466=867,507 MPa

σ 2=σx+σ y

2−√( σ x−σ y

2 )2

+τxy2

¿ 867,5070+398,21382

−√( 867,5070−398,21382 )

2

+0,01852

¿632,8604−234,6466=398,2138 MPa

Teori Kegagalan Von Mises adalah sebagai berikut:S yp

N≥√σ1

2+σ 22−σ1 σ2

Su

2 N≥√σ 1

2+σ22−σ1 σ2

15006

≥√867,5072+398,21382−867,507 x 398,2138

250 MPa ≥752,1232 MPa Tegangan yang terjadi lebih besar daripada yang diizinkan oleh karena itu komposit dengan satu arah saja tidak dapat digunakan.

4.2.8 Mencari Properti dari Susunan KompositTegangan tangensial maksimum yang merupakan tegangan

arah sumbu x terjadi pada r=ri=0,005 m. Untuk mengatasinya, arah komposit yang dipilih adalah 0 derajat. Sedangkan tegangan radial maksimum yang merupakan tegangan arah sumbu y terjadi pada r=√rir o=√0,005 x0,120=0,025 m. Untuk mengatasinya, arah komposit yang dipilih adalah 90 derajat. Susunan komposit keseluruhan ditunjukkan pada gambar 4.2.


40

Gambar 4.2 Susunan Komposit |0|90|0|90|0|90|0|90|

Susunan komposit yang akan digunakan adalah |0|90|0|90|0|90|0|90| dengan ketebalan masing-masing adalah 14,375 mm. Pertama-tama mencari koefisien tegangan regangan untuk arah 0 derajat:ν12

E1

=ν21

E2

ν21=E2

E1

ν12=10

1350,3=0,0222

Q11=E1

1−ν21 ν12

= 1351−0,0222 x 0,3

=135,9051

Q12=ν12 E2

1−ν21 ν12

= 0,3 x101−0,0222 x 0,3

=3,0201

Q22=E2

1−ν21ν12

= 101−0,0222 x 0,3

=10,0670

Q66=G12=5 Kemudian koefisien tegangan regangan untuk arah 90 derajat adalah kebalikan dari 0 derajat sehingga:



41

Q11=Q22=10,0670 Q12=Q12=3,0201 Q22=Q11=135,9051 Q16=0 Q26=0 Q66=Q66=5 Langkah-langkah mencari koefisien tegangan regangan gabungan adalah sebagai berikut:A11=∑ [Q11 ]k (hk−hk−l )

¿4 (135,9051+10,0670 ) (0,014375 )=8,3934A12=∑ [Q12 ]k (hk−hk−l ) ¿8 (3,0201 ) (0,014375 )=0,3473 A16=0

A22=∑ [Q22]k (hk−hk−l ) ¿4 (135,9051+10,0670 ) (0,014375 )=8,3934

A26=0

A66=∑ [Q66 ]k ( hk−hk−l ) ¿8 (5 ) (0,014375 )=0,575


42

[ A¿ ]=[ A11 A12 A16

A12 A22 A26

A16 A26 A66]−1

=[8,3934 0,3473 00,3473 8,3934 0

0 0 0,575]−1

¿ [ 0,119346 −0,00493825 0−0,00493825 0,119346 0

0 0 1,73913] E x=

1h A11

¿=1

0,115 x 0,119346=72,8609GPa

E y=1

h A22¿=

10,115 x 0,119346

=72,8609GPa

G xy=1

h A66¿=

10,115 x1,73913

=5 GPa

νxy=−A12

¿

A11¿ =

−−0,004938250,119346

=0,0414

ν yx=−A12

¿

A22¿ =

−−0,004938250,119346

=0,0414

4.2.9 Mencari Tegangan Batas Aman



43

0.005 0.019 0.034 0.048 0.063 0.077 0.091 0.106 0.1200

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Distribusi Tegangan Untuk Setiap Radius

r σt τxy σv

radius (m)

tega

ngan

(MPa

)

Gambar 4.3 Distribusi Tegangan Untuk Setiap RadiusDari gambar 4.3 terlihat bahwa tegangan tangensial

maksimum terjadi pada lapisan pertama dan tegangan radial maksimum terjadi pada lapisan kedua. Pada lapisan pertama, arah fiber 0 derajat dimana radius terluar 19,375 mm dan radius terdalam 5 mm serta ketebalan 14,375 mm; tegangan maksimum yang terjadi pada radius 5 mm adalah:

σ t max=ρ v2( ν+34 )[1+ 1−ν

ν+3 ( ri

r o)

2] ¿1600 x (0,019375 x6754,4242)2( 0,3+3

4 ) x

[1+ 1−0,30,3+3 ( 0,005

0,019375 )2]

¿22,9259 MPa


44

σ r=ρ v2( ν+38 )[1+( r i

r o)

2

−( rr o

)2

−( r i

r )2]

¿1600 x (0,019375 x 6754,4242 )2( 0,3+38 ) x

[1+( 0,0050,019375 )

2

−( 0,0050,019375 )

2

−( 0,0050,005 )

2]=0 MPa

τ xy=T r o

J=50,2722 x0,005

3,2572 x10−4 =7,7171 x10−4 MPa

Setelah tegangan diketahui, lapisan tersebut dicek kegagalannya terhadap masing-masing tegangan yang terjadi. Pengecekan kegagalan terhadap tegangan tangensial:Su0 °

2 N≥ σ t max

15006

≥ 22,9259 MPa

250 MPa ≥ 22,9259 MPa Kemudian pengecekan kegagalan terhadap tegangan radial:Su 90°

2 N≥ σ r

506

≥ 0 MPa

8,3333 MPa≥ 0 MPa Kemudian pengecekan kegagalan terhadap tegangan geser:Ssu

2 N≥ τ xy

706

≥ 7,7171 x 10−4 MPa

11,6667 MPa≥ 7,7171 x10−4 MPa



45

Lapisan tersebut dapat dikatakan aman dari segala tegangan yang terjadi karena tegangan batas aman lebih besar daripada tegangan yang terjadi.

Pada lapisan kedua, arah fiber 90 derajat dimana radius terluar 33,75 mm dan radius terdalam 19,375 mm serta ketebalan 14,375 mm; tegangan maksimum yang terjadi pada radius 25 mm adalah:

σ t= ρ v2( ν+38 )[1+( ri

r o)

2

−(3 ν+1ν+3 )( r

ro)

2

+(r i

r )2]

¿1600.(0,03375 x 6754,4242)2( 0,3+38 )x

[1+( 0,0193750,03375 )

2

−( 3(0,3)+10,3+3 )( 0,025

0,03375 )2

+( 0,0193750,025 )

2] ¿55,3672 MPa

σ r max=ρ v2( ν+38 )(1− ri

ro)

2

¿1,6 x103.(0,03375 x 6754,4242)2 x

( 0,3+38 )(1−0,019375

0,03375 )2

¿6,2221 MPa

τ xy=T r o

J=50,2722 x0,025

3,2572 x10−4 =3,8585 x 10−3 MPa

Setelah tegangan diketahui, lapisan tersebut dicek kegagalannya terhadap masing-masing tegangan yang terjadi. Pengecekan kegagalan terhadap tegangan tangensial:Su0 °

2 N≥ σ t max

15006

≥ 55,3672 MPa

250 MPa ≥55,3672 MPa


46

Kemudian pengecekan kegagalan terhadap tegangan radial:Su 90°

2 N≥ σr max

506

≥ 6,2221 MPa

8,3333 MPa≥ 6,2221 MPa

Kemudian pengecekan kegagalan terhadap tegangan geser:Ssu

2 N≥ τ xy

706

≥ 3,8585 x10−3 MPa

11,6667 MPa≥ 3,8585 x10−3 MPa Lapisan tersebut dapat dikatakan aman dari segala tegangan yang terjadi karena tegangan batas aman lebih besar daripada tegangan yang terjadi.

4.3 Analisis Data4.3.1 Analisis Energi Kinetik SpesifikTabel 4.2 Hasil Perhitungan Energi Kinetik Spesifik

Δh (m)

V total (m3)m total

(kg)Ef (KJ) Efs (KJ/kg)

0 0.00451375 7.2221188.20117

9164.525225

6

0.010.00376721

56.027544

1130.994544

187.6377085

0.020.00346577

55.54524 1086.98696

196.0216258

0.030.00316433

55.062936

1042.979376

206.0028759

0.040.00286289

54.580632

998.9717926

218.086018



47

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04160

180

200

220

Grafik Energi Kinetik Spesifik VS Pengu-rangan Ketebalan

Δh (m)

Efs (

KJ/k

g)

Gambar 4.4 Grafik Energi Kinetik Spesifik VS Pengurangan Ketebalan

Tabel 4.2 menunjukkan bahwa pengurangan ketebalan akan menyebabkan energi kinetik semakin sedikit yang mampu disimpan. Namun di sisi lain, massa dari flywheel akan berkurang pula. Gambar 4.4 menunjukkan bahwa pengurangan ketebalan justru menambah energi kinetik spesifik dari flywheel. Hal yang dipertimbangkan dalam perancangan sistem electro-mechanical KERS adalah besarnya energi kinetik spesifik. Energi kinetik spesifik menjadi dasar pertimbangan karena dengan massa sama, flywheel dengan energi kinetik spesifik yang lebih besar akan mampu menyimpan energi kinetik lebih banyak. Oleh karena itu, flywheel dengan pengurangan ketebalan 40 mm menjadi pilihan pertama dalam perancangan ini.

4.3.2 Analisis Tegangan Ekuivalen


48

Gambar 4.5 Simulasi Flywheel Sebelum Divariasi



49

Gambar 4.6 Susunan Komposit pada Flywheel Sebelum Divariasi

Simulasi menunjukkan bahwa tegangan ekuivalen maksimum yang terjadi sebesar 650,15 MPa. Dengan Modulus Young sebesar 72,8609 GPa maka regangan yang terjadi adalah sebesar:

ε= σE

= 650,1572860,9

=0,8923 %

Tegangan ekuivalen terjadi pada lapisan pertama dengan arah 0 derajat dan regangan yang terjadi tidak lebih dari ultimate tensile strain arah x (sekitar 1,05%) sehingga flywheel dapat dikatakan aman.


50

Gambar 4.7 Simulasi Flywheel Dengan Pengurangan Ketebalan 10 mm



51

Gambar 4.8 Susunan Komposit pada Flywheel Dengan Pengurangan Ketebalan 10 mm


ε= σE

= 695,6372860,9

=0,9547 %

Tegangan ekuivalen terjadi pada lapisan ketiga dengan arah 0 derajat dan regangan yang terjadi tidak lebih dari ultimate tensile strain (sekitar 1,05%). Tegangan ekuivalen juga terjadi terjadi pada lapisan kelima dengan arah 0 derajat dan regangan yang


52

terjadi tidak lebih dari ultimate tensile strain (sekitar 1,05%) sehingga flywheel dapat dikatakan aman.



53



54



ε= σE

= 870,8472860,9

=1,1952 %

Tegangan ekuivalen terjadi pada lapisan keenam dengan arah 90 derajat dan regangan yang terjadi lebih dari ultimate tensile strain (sekitar 0,5%) sehingga flywheel tidak dapat dikatakan aman.



55



56



ε= σE

= 1090,272860,9

=1,4963 %

Tegangan ekuivalen terjadi pada lapisan keenam dengan arah 90 derajat dan regangan yang terjadi lebih dari ultimate tensile strain (sekitar 0,5%) sehingga flywheel tidak dapat dikatakan aman.



57



58



ε= σE

= 1532,672860,9

=2,1035 %

Tegangan ekuivalen terjadi pada lapisan kelima dengan arah 0 derajat dan regangan yang terjadi lebih dari ultimate tensile strain (sekitar 1,05%) sehingga flywheel tidak dapat dikatakan aman.



59

Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tegangan Ekuivalen

Δh (m)σ Von Mises

(MPa)E

(MPa)ε (%)

0 650.15 72860.90.89231

7

0.01 695.63 72860.90.95473

7

0.02 870.84 72860.91.19520

9

0.03 1090.2 72860.91.49627

60.04 1532.6 72860.9 2.10346

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04600800

1000120014001600

Grafik Tegangan Ekuivalen VS Pengu-rangan Ketebalan

Δh (m)

σ Vo

n M

ises (

MPa

)

Gambar 4.15 Grafik Tegangan Ekuivalen VS Pengurangan Ketebalan

Gambar 4.15 menunjukkan bahwa tegangan ekuivalen akan bertambah dengan seiringnya pengurangan ketebalan. Hal ini disebabkan karena adanya titik konsentrasi tegangan akibat perubahan bentuk flywheel yang telah dikurangi ketebalannya. Tabel 4.3 menunjukkan bahwa setelah pengurangan ketebalan 20 mm menghasilkan regangan yang melewati ultimate tensile


60

strain. Oleh karena itu, flywheel optimal dengan energi kinetik spesifik yang tinggi serta tegangan ekuivalen yang tidak menyebabkan kegagalan adalah flywheel dengan pengurangan ketebalan 10 mm.4.3.3 Pemilihan Flywheel

Sistem KERS pertama diciptakan oleh perusahaan Flybrid. Sistem ini memiliki kapasitas energi netto 400 kJ. Diameter flywheel sebesar 240 mm dengan massa sebesar 5,0 kg dan putarannya mencapai 64.500 rpm. Tabel 4.4 menunjukkan bagaimana perbandingannya dengan simulasi yang dilakukan.

Tabel 4.4 Perbandingan Flywheel Flybrid dan SimulasiKeterangan Flybrid Simulasi

Diameter terluar 240 mm 240 mmDiameter terdalam - 10 mm

Gambar teknik -

Energi kinetik 400 KJ 1130.994544 KJMassa 5 kg 6.027544 kg

Energi kinetik spesifik

80 KJ/kg 187.6377085 KJ/kg



61

Gambar 4.16 Gambar 3D antara Flywheel Flybrid dan Simulasi

Tabel 4.3 menunjukkan bahwa flywheel hasil simulasi memiliki energi kinetik spesifik lebih besar dibandingkan flywheel Flybrid. Oleh karena itu, perancangan sistem electro-mechanical KERS akan menggunakan flywheel hasil simulasi dengan pengurangan ketebalan 10 mm.

4.4 Perancangan Sistem Electro-Mechanical KERS

Gambar 4.17 Skematik dari Sistem Electro-Mechanical KERS


62

Sistem ini akan berkerja ketika kendaraan mengalami perlambatan. Saat pengemudi menginjak pedal rem maka KERS Control Module akan mengambil energi kinetik dari poros mesin melalui aktuator berupa Motor-Generator Unit. Energi kinetik ini kemudian akan disimpan di Flywheel dan Li-Ion Battery. Ketika pengemudi akan melakukan akselerasi dengan menginjak pedal gas maka KERS Control Module akan mengambil energi kinetik dari Flywheel dan Li-Ion Battery untuk menggerakkan Motor-Generator Unit yang kemudian akan menambah kecepatan putar poros mesin.

Gambar 4.18 Simulasi Motor-Generator Unit Dengan Flywheel Modifikasi

Gambar 4.18 menunjukkan motor-generator unit dari sistem electro-mechanical KERS. Unit ini akan berfungsi sebagai generator apabila adanya energi kinetik yang memutar rotor dan berfungsi sebagai motor apabila adanya energi listrik pada stator. Prinsip kerja dalam menyimpan energi adalah energi kinetik dari poros mesin akan membuat rotor berputar sehingga menghasilkan medan magnet. Medan magnet kemudian akan menghasilkan listrik dan ditampung dalam baterai. Apabila baterai telah penuh



63

maka energi kinetik akan ditampung di dalam rotor flywheel. Sedangkan prinsip kerja dalam menyalurkan energi adalah energi kinetik dari rotor flywheel akan disalurkan ke poros mesin. Hal ini membuat putaran mesin menjadi tinggi dan menambah akselerasi. Apabila energi dari flywheel sudah berkurang maka energi listrik dari baterai akan disalurkan untuk menambah putaran flywheel.


BAB VKESIMPULAN DAN SARAN

Informasi mengenai Kinetic Energy Recovery System (KERS) masih sangat kurang. Informasi yang ada hanya data sistem penyimpanan energi kinetik berupa flywheel buatan Flybrid untuk mechanical KERS. Sebuah penelitian menemukan bahwa perubahan geometri dari flywheel dapat menyebabkan peningkatan energi spesifik. Penulis berusaha untuk memvariasikan geometri flywheel berdasarkan data yang ada kemudian mendapatkan geometri yang optimal untuk digunakan pada electro-mechanical KERS. Analisis geometri optimal dari flywheel dilakukan dengan perhitungan manual kemudian dilanjutkan dengan bantuan perangkat lunak ANSYS 13.0. Geometri dianggap optimal apabila memiliki energi kinetik spesifik yang tinggi namun tidak mengalami kerusakan. Geometri optimal tersebut kemudian digunakan sebagai rotor dari motor-generator unit yang merupakan komponen utama dalam electro-mechanical KERS. Setelah itu penulis mencoba membuat alur kerja dari electro-mechanical KERS.

5.1 KesimpulanDari analisis yang telah dilakukan, kesimpulan yang dapat

diambil yaitu:1. Seiring berkurangnya ketebalan maka energi kinetik

spefisik akan meningkat.2. Seiring berkurangnya ketebalan maka tegangan ekuivalen

akan meningkat.3. Flywheel yang optimal adalah flywheel dengan

pengurangan ketebalan 10 mm. Flywheel tersebut memiliki energi kinetik spesifik sebesar 187,6377 KJ/kg dan menghasilkan tegangan ekuivalen sebesar 695,63 MPa serta regangan sebesar 0,9547 %.

4. Flywheel tersebut memiliki energi kinetik spesifik yang lebih besar daripada flywheel buatan Flybrid.


65

5.2 SaranAdapun beberapa saran yang dapat diberikan yaitu:

1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk membuktikan hasil perhitungan dan simulasi flywheel tersebut.

2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai komponen sistem electro-mechanical KERS seperti motor-generator unit beserta baterainya.


DAFTAR PUSTAKA

Arslan, Mehmet A. 2007. Flywheel geometry design for improved energy storage using finite element analysis. Turkey: Department of Design and Manufacturing Engineering, Gebze Institute of Technology.

Batalha, John. 2011. Kinetic Energy Recovery Systems. http://www.cvel.clemson.edu/auto/AuE835_Projects/batalha_project.html.

Deutschman, Aaron D. 1975. Machine Design: Theory and Practice. USA: Macmillan Publishing Co., Inc.

Hall AS, Holowenko AR, Laughlin HG. 1961. Schaum’s Outline of Theory and Problems of Machine Design. USA: McGraw Hill.

Kaw, Autar K. 1997. Mechanics of Composite Materials. Florida: CRC Press LCC.

Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral. 2011. Data Warehouse Pusat Data dan Informasi Energi dan Sumber Daya Mineral. http://dtwh2.esdm.go.id/dtwh3/mod_pri/main.php.

Performance Composite. 2011. Mechanical Properties of Carbon Fibre Composite Materials. http://www.performance-composites.com/carbonfibre/mechanicalproperties_2.asp.


67



LAMPIRAN

Tabel perhitungan tegangan untuk setiap radius

r (m) σr (MPa) σt (MPa)τxy

(MPa)σv (MPa)

0.005 0.000 867.507 0.001 867.5070.010 322.937 541.011 0.002 471.4540.015 379.395 478.623 0.002 437.5310.020 395.203 454.512 0.003 427.9510.025 398.184 440.855 0.004 421.1440.030 395.203 430.788 0.005 414.1440.035 388.612 421.958 0.005 406.3130.040 379.395 413.383 0.006 397.4800.045 368.019 404.593 0.007 387.6030.050 354.734 395.341 0.008 376.6830.055 339.678 385.487 0.008 364.7470.060 322.937 374.946 0.009 351.8370.065 304.563 363.666 0.010 338.0120.070 284.592 351.610 0.011 323.3530.075 263.047 338.756 0.012 307.9620.080 239.945 325.087 0.012 291.9800.085 215.297 310.591 0.013 275.5910.090 189.112 295.260 0.014 259.0450.095 161.397 279.086 0.015 242.6820.100 132.156 262.066 0.015 226.9590.105 101.393 244.195 0.016 212.4910.110 69.111 225.471 0.017 200.0780.115 35.313 205.892 0.018 190.7030.120 0.000 185.454 0.019 185.454


69



BIOGRAFI PENULIS

Penulis dilahirkan dari pasangan Bachtiar Ismail dan Christina Limurti dengan nama Ariyamanggala Alphaputra Yaphet pada tanggal 9 maret 1989 yang merupakan anak pertama dari dua bersaudara. Penulis menempuh pendidikan dimulai dari TK Widuri Jaya menuju SD Widuri Jaya kemudian melanjutkan ke SMP Kemurnian II dan SMA Kemurnian II di Jakarta.Penulis memiliki minat pada ilmu fisika terutama bidang mekanika dan memutuskan untuk melanjutkan

pendidikan S1 di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dan mengambil Bidang Studi Desain. Penulis memulai perkuliahan pada tahun 2007 dan terdaftar dengan NRP 2107 100 162. Penulis menyelesaikan pendidikan selama 4 tahun dan diwisuda pada bulan September 2011. Semasa kuliah, penulis aktif dalam organisasi luar jurusan yaitu Tim Pembina Kerohanian Buddha. Penulis menjadi Sekretaris Umum untuk periode 2008/2009 kemudian menjabat sebagai Ketua pada periode 2009/2010. Selepas menjabat sebagai pengurus inti, penulis kemudian dilantik menjadi Staff Ahli Pengembangan Sumber Daya Manusia pada periode 2010/2011 kemudian beralih menjabat Staff Ahli Kebaktian pada periode 2011/2012. Penulis memiliki beberapa motto dalam hidup antara lain adalah “Enjoy Your Life” dan “Just be Yourself”. Penulis memilki harapan agar ilmu yang telah didapatkan dapat diamalkan semaksimal mungkin untuk diri sendiri, keluarga, lingkungan, bangsa dan negara.


71



analisis pengaruh variasi geometri terhadap energi kinetik yang mampu disimpan oleh flywheel pada...

Documents