chapter 18 flywheel
TRANSCRIPT
TUGAS ELEMEN MESIN
CHAPTER 18
FLYWHEEL
Disusun oleh :
Kelompok 1
Sanny Octavianoes (04 23 134)
Jayaanti Marce (04 23 137)
Citra rahayu (04 23 141)
Lydia (04 23 164)
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK INDUSTRI
UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA BANDUNG
2008
Tugas Elemen Mesin 1
Flywheel
CHAPTER 18
FLYWHEEL
18.1 PendahuluanFlywheel digunakan di mesin sebagai penyimpan cadangan energi
pada waktu energi yang disupply adalah lebih dari yang dibutuhkan dan
melepaskannya pada suatu waktu apabila energi yang dibutuhkan lebih dari
yang disupply. Di mesin yang operasinya bersifat intermitten (seperti mesin
punch, mesin shear, mesin pemaku, mesin penghancur dan lain-lain),
flywheel menyimpan energi dari sumber power yang besar selama siklus
operasi dan melepaskannya dalam periode yang singkat. Dengan demikian,
seluruh energi dari sumber power ke mesin disuplai dengan praktis pada
kecepatan konstan selama operasi.
Pada kasus mesin uap, internal combustion engine, compressor dan
pompa, energi dihasilkan selama satu kali gerakan dan sementara itu mesin
bekerja dalam suatu siklus untuk menghasilkan energi selama satu gerakan
itu terjadi.
18.2 Koefisien Percepatan (Coefficient of fluctuation of speed)
Selisih antara kecepatan maksimum dan minimum selama suatu
operasi disebut maksimum percepatan. Perbandingan dari maksimum
percepatan terhadap rata-rata kecepatan disebut koefisien dari percepatan.
Dimana : N1 = Kecepatan maksimum dalam suatu siklus (rpm)
N2 = Kecepatan maksimum dalam suatu siklus (rpm)
N = Rata-rata kecepatan dalam rpm =
Rumus Koefisien Percepatan :
N1 + N 2
2
Cs =* N1
− N 2
=N
2( N1 − N 2 )
N1 + N 2
Koefisien Percepatan adalah faktor yang membatasi dalam merancang
flywheel. Nilainya bervariasi tergantung pada jenis mesin dimana flywheel
digunakan. Tabel berikut ini menunjukkan nilai yang diijinkan untuk
koefisien kecepatan pada beberapa mesin.
No Type of Machine or Class of ServiceCoefficient of
Fluctuation of speed (Cs)1 Crushing Machines 0,2
2 Electrical machines 0.003
3 Electrical machines (direct drive) 0,002
4 Engines with belt transmission 0,03
5 Gear wheel transmission 0,02
6 Hammering machines 0,2
7 Pumping machines 0,03 to 0,05
8 Machine tools 0,03
9Paper making, textile and weaving machines
0,025
10 Punching, shearing and power presses 0,10 to 0,15
11 Spinning machinery 0,10 to 0,020
12 Rolling mills and mining machines 0,025
Koefisien Percepatan juga dihasilkan dari :
Cs =ω 1 −ω 2
= 2(ω 1 −ω 2 )
Æ dalam kecepatan angular
ω ω 1 +ω 2
Cs =v1 −v2 = 2(v1 −v2 ) Æ dalam kecepatan linear
v
dimana : ω = v r
v1 +v2
Hubungan timbal balik dari koefisien percepatan disebut koefisien mutlak
(coefficeient of steadiness) dan disimbolkan dengan m.
Rumus : m = 1
C s
= NN1
− N 2
18.3 Koefisien Energi (Fluctuation of Energy)
Perubahan energi dapat ditentukan dengan diagram moment putar untuk
satu kali siklus operasi. Dibawah ini adalah diagram momen putar untuk
sebuah silinder dengan dua kali putaran pada mesin uap. Titik vertikal
mewakili besar momen putar dan titik horizontal mewakili sudut engkol.
Apabila momen putar sebesar 0 maka sudut engkol yang dihasilkan
adalah 0. Penambahan nilai sampai maksimum terjadi ketika sudut 90o dan
kembali 0 ketika sudutnya 1800.
Dibaah ini adalah diagram momen putar pada sebuah internal
combustion engine dengan 4 gerakan :
Berikut ini adalah diagram momen putar pada beberapa mesin uap :
18.4 Maksimum Perubahan Energi (Maximum Fluctuation of Energy)Diagram putaran momen untuk sebuah mesin multi silinder
ditunjukkan oleh kurva bergelombang seperti di bawah ini. Garis horizontal
AG menunjukkan nilai rata-rata torsi.
Berdasarkan gambar tersebut, energi flywheel di A = E1, dimana ;
Energi B = E + a1
Energi C = E + a1 – a2
Energi D = E + a1 – a2 + a3
Energi E = E + a1 – a2 + a3 – a4
Energi F = E + a1 – a2 + a3 – a4 + a5
Energi G = E + a1 – a2 + a3 – a4 + a5 – a6
= Energi A
Energi Maksimum flywheel = E + a1
Energi Minimum flywheel = E + a1 – a2 + a3 – a4
Æ Perubahan energi maksimum : ∆E = Energi Maks – Energi Min
= (E + a1) – (E + a1 – a2 + a3 – a4)
= a2 - a3 + a4
18.5 Koefisien Perubahan Energi (Coefficient of Fluctuation of Energy)
Dapat ditentukan dengan perbandingan dari perubahan energi
maksimum terhadap kerja yang dihasilkan per siklus. Koefisien perubahan
energi didenotasikan oleh Ce, dengan rumus :
Perubahan energi maksCe =
Kerja per siklus
Kerja yang dihasilkan per siklus, salah satunya dapat ditentukan
dengan cara T x θ, dimana T adalah rata-rata torsi dan θ adalah sudut putar
dalam radian pada satu putaran.
Kerja per siklus =P × 4,500
N
dimana : P = Sumber Daya (Horsepower)
N = Kecepatan dalam rpm
1
1
Berikut ini akan ditunjukkan nilai dari koefisien perubahan energi
untuk mesin uap dan internal combustion engine.
No Type of EngineCoefficient of Fluctuation
of energy (Ce)
1Single cylinder, double acting steam engine
0,21
2 Cross-compound steam engine 0,096
3Single cylinder, Single acting, four stroke gas engine
1,93
4Four cylinder, Single acting, four stroke gas engine
0,066
5Six cylinder, Single acting, four stroke gas engine
0,031
18.6 Energi yang tersimpan pada Flywheel (Energy Stored in a flywheel)
Sebelumnya telah dibahas bahwa ketika flywheel menyerap energi
maka kecepatannya meningkat dan ketika melepaskannya maka kecepatannya
berkurang. Total energi flywheel adalah kemampuan flywheel untuk
melepaskan sejumlah energi sisa. Total energi kinetik dapat dihasilkan
dengan : E =1
Iω 2 = W
v 2 , dimana ;
2 2 g
I = Momen inersia
W = berat flywheel
k = jari-jari pada putaran flywheelω = kecepatan sudut flywheel
Perubahan kecepatan flywheel dari ω1 ke ω2, maka perubahan energi
maksimum yaitu ; ∆E = Energi Kinetik Max – Energi Kinetik Min
= Iω 1 2 -
2Iω 2
2
2
= 1
x I (ω 2 – ω 2)1 22
= 1 × I (ω +ω )(ω −ω )
2 1 2 1 2
s
2
= I. ω (ω 1 −ω
2
)
= Iω 2 (ω
1 −ω
2 ) ω= Iω 2 .
Cs
= W
k g
2ω 2 C
Apabila jari-jari putaran k sama dengan radius dari roda, maka k = R,
sehingga : ∆E =W
k 2ω Cg
s
= W
v 2 Cg
s
= E x 2Cs
Diagram ini digambar dengan skala 1cm = 7000 kg-cm, dan 1cm = 45o.
Kecepatan mesin sebesar 900 rpm dan fluktuasi kecepatan tidak lebih dari 2% dari
kecepatan rata-rata.
Untuk menemukan perpotongan dari pelek flywheel adalah 65 cm dari rata-
rata diameter. Kepadatan material dari flywheel yang diambil adalah 7.2 gm/ cm3.
Pelek memiliki 4 lengan dengan lebar 2 kali dari tebalnya. Efek dari lengan dan
lain-lain dapat diabaikan.
Solusi :
Diberikan. Skala dari momen puntir
1 cm = 7000 kg-cm
skala sudut putar
1 cm = 45o = 45 xπ = π
rad180 4∴ 1cm3 dari diagram momen puntir
= 7000 x π
= 5500 kg-cm4
Gambar 18.5
Rata-rata kecepatan mesin,
N = 900 rpm
∴Fluktuasi kecepatan
ω = 2πN
60
= 2π × 900 = 94.26 rad / sec60
ω1
− ω 2
= 2%ω
∴ Koefisien fluktuasi dari kecepatan
C = ω1 − ω 2s ω = 2% = 0.02
Rata-rata diameter flywheel
D = 65 cm∴ Radius rata-rata, R = 32.5 cm
Kepadatan material dari flywheel,ρ = 7.2 gm / cm
2
= 0.0072 kg / cm 2
Daya di A = E, dapat dilihat pada gambar 18.5
Daya di B = E – 0.35
Daya di C = E – 0.35 + 4.10 = E + 3.75
Daya di D = E + 3.75 – 2.85 = E + 0.90
Daya di E = E + 0.90 + 3.25 = E + 4.15
Daya di F = E + 4.15 – 3.35 = E + 0.80
Daya di G = E + 0.80 + 2.60 = E + 3.40
Daya di H = E + 3.40 – 3.65 = E – 0.25
Daya di K = E – 0.25 + 2.85 = E + 2.6
Daya di L = E + 2.60 – 2.60 = E
Kita mengetahui fluktuasi maksimum dari daya,∆E = Daya Max − Daya
Min= (E + 4.15) − (E − 0.35) = 4.5 cm 2= 4.5 × 5.500 = 24750kg − cm
W = berat dari pelek roda daya
Menggunakan hubungan
∆E = W R 2ω 2
C
24750 = g
W
981
s
× 32.52 × 94.26 2 × 0.02= 192 W
W = 24750 = 129 kg192
Contoh yang mewakili dari pelek flywheel
t = ketebalan dari pelek
b = lebar dari pelek = 2t∴ area yang mewakili pelek
A = b × t = 2t × t = 2t 2
Kita mengetahui berat dari pelek
W = volume × tebal = A × 2πR p
129 = 2t 2 × 2π × 32.5 × 0.0072
t 2 = 43.8
t = 43.8 = 6.6 cmContoh 18.2
b = 2 × 6.6 = 13.2 cm
Diagram momen puntir untuk mesin minyak digambar dengan dengan skala :
Momen puntir, 1 mm = 5 N-m ; sudut putar, 1 mm = 1o.
Diagram momen puntir diulang sendiri setiap setengan putaran mesin dan
area atas bawah berada di tengah garis momen puntir, order yang diberikan 295,
685, 40, 340, 960, 270 mm2.
Tentukan massanya jika diameter flywheel 300 mm, koefisien fluktuasi
kecepatan adalah 0.3% dan mesin bekerja pada kecepatan 1800 rpm. Tentukan
ukuran pelek jika lebar pelek adalah 2 kali dari tebalnya. Kepadatan material
sebesar 7250 kg/m3.
Solusi :
Diberikan. Skala momen puntir,
1 mm = 5 N-m
skala sudut putar,
1 mm = 1o =π
rad180
Gambar 18.2
∴ 1mm3 dari diagram momen puntir
= 5 × π = π J
180 36
Diameter pelek flywheel,
D = 300 mm∴ Radius dari pelek flywheel
R = 150 mm = 0.15 m
Koefisien fluktuasi dari kecepatan
Kecepatan mesin,
Cs = 0.3 % = 0.003
N = 1800 rpm
∴ ω = 2πN
60= 2π × 1800 = 188.52 rad / sec
60
Kepadatan dari material pelek,ρ = 7250 kg / m
3
Total daya di A = E, dapat dilihat pada gambar 18.6
Daya di B = E + 295
Daya di C = E + 295 – 685 = E – 3.75
Daya di D = E – 390 + 40 = E – 0.350
Daya di E = E – 350 – 340 = E – 690
Daya di F = E – 690 + 960 = E + 270
Daya di G = E + 270 – 270 = E
Kita mengetahui fluktuasi maksimum dari daya,∆E = Daya Max − Daya
Min= (E + 295) − (E − 690) = 985 mm 2
= 985 × π36
= 86 J
Massa dari flywheel
m = massa dari flywheel
Menggunakan hubungan
∆E = W R 2ω 2
Cg
s
86 = m × 0.152 × 188.52 2 × 0.003= 2.4 m∴ m = 2.4 = 35.8 kg
Yang mewakili pelek
t = ketebalan pelek
b = lebar pelek = 2t∴ perpotongan area pelek
A = b x t = 2t x t = 2t2
Kita mengetahui berat dari flywheel,
W = mg = A × 2πR × ρ
35.8 × 9.81 = 2t 2 × 2π × 0.15 × 7250
t 2 = 0.02575 m 2
t = 0.161 m = 161 mm∴ b = 2 × 161 = 322 mm
Contoh 18.3
Mesin uap satu silinder dengan tenaga ganda membangun 200 HP dan kecepatan
rata-rata 80 rpm. Koefisien fluktuasi dari tenaga adalah 0–1 dan koefisien
kecepatan rata-rata adalah ± 2% dari hub dan jari-jari 5% dari momen inersia dari
roda, cari berat dari flywheel dan perpotongan area pelek. Asumsi kepadatan
material dari flywheel adalah 7.2 gm/cm3.
Solusi :
Diberikan. HP dibangun oleh mesin
P = 200 h.p.
Rata-rata kecepatan, N = 80 r.p.m.∴ kecepatan sudut,
ω = 2πN = 2π × 80 = 8π rad / sec
60 60 3
Koefisien fluktuasi dari tenaga,
Cs = 0.1
Fluktuasi kecepatan,= ±2% dari kecepatan rata-rata∴ Total fluktuasi kecepatan,
N1 − N 2
= 4% dari kecepatan rata-rata = 0.04 N
dan koefisien fluktuasi dari kecepatan,
C = N1 − N 2s
N= 0.04
Diameter rata-rata dari flywheel,
D = 2 m
∴ Radius rata-rata dari flywheel,
R = 1 m = 100 cm
Kepadatan material dari flywheel,ρ = 7.2 gm / cm3 = 0.0072 kg / cm3
Kita mengetahui daya kerja dari flywheel per putaran,
Cs = fluktuasi Max dari tenaga
ker ja / putaran∴ Fluktuasi maksimum dari tenaga,∆E = Cs × ker ja / putaran= 0.1× 11250 = 1125 kg − m
Berat pelek
W = berat pelek
Sejak momen inersia meningkat 5% memberikan hub dan jari-jari, untuk itu
fluktuasi maksimum dari tenaga dari pelek flywheel meningkat 95%.∴ (∆E )rim = 0.95 × 1125 kg − m
Menggunakan hubungan(∆E )rim = W
R 2ω 2
Cg
s ⎛ π ⎞0.95 × 1125 = W
× 12 × ⎜ 8
⎟ × 0.04 = 0.286 W
9.81 ⎝ 3 ⎠∴ W = 0.95 × 1125 = 3.737 kg
0.286
Perpotongan area pelek
A = perpotongan area pelek
Kita mengetahui berat dari pelek flywheel,
W = volume × kepada tan= A × 2πR × ρA = W
2πRρ= 3737 = 826 cm 2
2π × 100 × 0.0072
18.7. Tegangan pada pelek flywheel
Flywheel yang di tampilkan pada gambar 18.7, terdiri dari pelek yang
memiliki bagian utama pada berat komponen pada flywheel, hub merupakan pusat
pada batang dan jumlah lengan untuk mendukung pelek.
Gambar 18.7
Beberapa tipe tegangan yang diberikan pelek flywheel.
1. tegangan regang dari daya sentrifugal
2. tegangan tekan yang disebabakan tegangan dari lengan pelek
3. tegangan ayun didapatkan melalui proses pendinginan dari pengecoran.
Tingkat tegangan sangat tinggi tetapi ini bukan metode yang mudah.
Tegangan ini digunakan memalui uji faktor keamanan.
Kita mendiskusikan tentang 2 jenis tegangan sebagai berikut :
1. Tegangan regang dengan gaya sentrifugal
Tegangan regang dari pelek menghasilkan gaya sentrifugal
t
b = lebar dari
t = tebal dari
pelek dalam cm
pelek dalam cm
A = perpotongan area
R = rata − rata radius
pelek dalam cm2
flywheel dalam cmρ = kepada tan material dari pelek dalam kg / cm3ω = kecepa tan sudut dari flywheel dalam rad / secν = velositas linier dari pelek dalam cm / sec
f = tegangan regang dalam kg / cm2
menggambarkan elemen kecil dari pelek dapat dilihat pada gambar 18.8
Gambar 18.8
Volume dari elemen kecil= A × R∂θ∴ Berat dari elemen kecil tersebut,
dW = kepada tan× volume = ρAR∂θdan gaya sentrifugal pada elemen,
dF = dW × ω 2 R = ρAR∂θg g
2 2= ρAR ω ∂θg
Komponen vertikal dari dF
2 2= dF sin θ = ρAR ω ∂θ × sin θg
∴ Total gaya vertikal dari diameter pelek XY
ρAR2ω 2
π= ∫ sin θ dθg 0
2 2 2 2= ρAR ω [− cosθ ]π = 2ρAR ω ....(1)
g 0
g
Gaya vertikal adalah gaya pada 2P, seperti
2P = 2 ft A
dari (1) dan (2)
….(2)
2ρAR 2ω 2
g= 2 ft A
= ρ ω 2 R 2 = ρ v ..............(3)2
g g
2. Tegangan tekan yang disebabkan peregangan lengan
Tegangan tekan dari pelek dari lengan diasumsikan sama.
Panjang
l = πD = 2πR
n nn = jumlah lengan
Gambar 18.9
Gaya sentrifugal pada lengan∴ w = b × t × p ω 2 R kg / cm g
Kita mengetahui maksimum tegangan tekanwl 2
btρω 2 R ⎛ 2πR ⎞2
M = =12
× ⎜ ⎟g ×12 ⎝ n ⎠
ω t
⎜ ⎠
dan modulus
Z = 1 bt 2
6∴ tegangan stress,
f = Mb Z
b tρω 2 R ⎛ 2π R ⎞ 6=
g*12× ⎜ ⎟ ×⎝ n ⎠ b t 2
= 2π 2 ρ ω 2 R 2 2π 2 ρ ω 2 R=
gn2t g n 2
t
⎛ v ⎞⎜∴ ⎟⎝ R ⎠Sekarang total tekanan pada rim yaitu :
f = f + fb
Apabila lengan pada flywheel tidak merenggang sama sekali dan
ditempatkan sangat dekat satu sama lainnya, gaya sentrugal tidak akan mengubah
tekanan pada rim. Dengan kata lain, f t bernilai nol. Pada sisi lain, apabila lengan
meregang pada perluasan yang diizinkan pada rim karena adanya sentrifugal.
Maka tidak akan ada pada lengan, f bernilai nolb
Hal ini telah dibuktikan oleh G. Lanza menyatakan bahwa lengan
pada flywheel meregang sebanyak ¾ nilai dari perluasan pada umunya. Berikut
adalah total tekanan pada rim
f = 3
f + 3
f4
1 4
b
2 2 2 2 ⎛ 2 ⎞=
3 f v + 2π ρvR = + ρv ⎜ 0 − 75 + 0 − 5 π R ⎟
4 g 4 gn 2 t g ⎝ n 2 t ⎟Contoh 18-4 Mesin multi silinder bekerja pada beban yang tetap pada
kecepatan 600.r.p.m. Pada gambar diagram usaha putar , pada skala 1 cm=25o kg-
m dan 1 cm = 30 0 , area diatas dan dibawah rata-rata lintasan torsi dalam sq cm
sepert dibawah ini:
+ 1-60. – 1-72, + 1-68, – 1-91. + 1-97, – 1- 62
1
Kecepatan yang disimpan yang berkisar antara ± 1 % dari nilai rata-
rata pada mesin. Hitung momen inertia pada flywheel.
Tentukan dimensi yang cocok untuk flywheel cast iron dengan rim
dengan luas dua kali ketebalan jari-jari. Kepadatan cast iron yaitu 7-25
gm/cm 2 dan tegangan tekanan yang bekerja adalah 60 kg/sq cm. Asumsikan
bahwa rim menambahkan 92 % pada pengaruh flywheel.
(A.M.I.E., Summer 1975)
Solusi :
Kecepatan mesin,
N = 600 r.p.m
∴ Kecepatan sudut, ∞ = 2π N = 2π × 600 = 62 − 84 rad / sec60 60
Skala pada momen putar,
1 cm = 250 kg – k
Skala pada sudut putar,
1 cm= 30 0 = 30 × π = π
rad
180 6∴ 1 cm 2 pada momen putar diagram= 250× π6
= 130 − 9k kg − mFluktuasi kecepatan = ± 1 % pada rata-rata kecepatan∴ total fluktuasi kecepatan,
N 1 - N 2 = 2 % rata-rata kecepatan = 0-0.02 N dan
koefisien dari fluktuasi kecepatan
N − N2C
s =
N
Kepadatan cast iron,
= 0 − 0.02
ρ = 7-25 gm/ cm 3 = 0-00725 kg/cm 3
Daya rentang tekanan yang bekerja.
3f t = 60 kg/cm
Gambar 18-10
Momen putar Vs diagram sudut putar seperti dapat dilihat pada
gambar 18.10
Total energi pada A
= E∴ Energi pada B = E + 1- 60
Energi pada C = E + 1- 60 - 1-72 = E – 0-12
Energi pada D = E - 0- 12 - 1-68 = E + 1- 56
Energi pada E = E + 1- 56 - 1-91 = E – 0-35
s (minimum energy)
Energi pada F = E - 0- 35 - 1-97 = E + 1- 62
(maksimum energy)
Energi pada G = E + 1- 62 - 1-62 = E
= Energi pada A
Kita mengetahui bahwa maksimum fluktuasi energi.∆E = Max energy- Min energy
= (E + 1-62) - (E - 0-35) = 1-97 cm 2
= 1-97 × 130-9
= 25,790 kg-m
Momen inerisa pada flywheel
dimana I = momen inersia pada flywheel
2∆E = I ω 2C dengan notasi biasanya
2
I =∆Eω 2C
= 25.790
62 − 842 × 0 − 02
= 326-55 kg-cm-detik 2 Jawab
Dimensi pada rim flywheel
Yang pertama marilah kita menentukan kecepatan keliling dan
diameter rata-rata flywheel.
Dimana V=kecepatan keliling flywheel
D = rata-rata diameter flywheel
Dengan menggunakan hubungan
f = ρ
v3 dengan notasi biasanyag
∴ v =ft g =ρ 60 × 981
0 − 007
= 2,850 cm/det
= 28-50 m/det
Kita mengetahui bahwa v = πDN
60
2850 = π × D × 600
60
∴ D =2850 × 60 = 90 − 7 cmπ × 600
Sekarang cari berat dari rim flywheel. Selama rim emnambah 92% dari
pengaruh flywheel, oleh sebab itu energi rim flywheel akan menjadi 0-92 waktu
total energi pada flywheel. Kita mengetahui bahwa∆E = E × 2
C2
∴ E =∆E
2 Cs
= 25,790
2 × 0 − 02
= 64,47,50 kg - cm∴ E rim = 0 − 92 E
= 0-92 × 64,47,50 = 59,31,70kg − cm
Dimana W = berat rim flywheel
×W
2
2
Kita mengetahui bahwa
W 3E rim = v2 g
∴ w = Erim × 2 g = 59,31,70 × 2 × 981
v3
= 143-3 kg
(2,850)2
Dimana t= Ketebalan rim flywheel
b = luas rim flywheel
= 2 t (diketahui)
Kita mengetahui bahwa
W= Volum × kepadatan
= (b × t × πD ) ρ= (2 t × t × πD ) ρ = 2 πdρt 2
t 3 ==
W2πDρ
143 − 3 == 34 − 572π × 90 − 7 × 0 − 00725
t = 34 − 57 = 5-88 atau 6 cm Jawab
dan b= 2t= 2* 6 = 12 cm Jawab
* Berat rim flywheel bias dicari dengan menggunakan hubungan berikut. Selama
rim menambahkan 92 % pada pengaruh flywheel. Maka gunakan
1. I rim = 0 − 92 I flywheel∴
2R = 0 − 92 I flywheelg
W
981⎛ 90 − 7 ⎞⎜ ⎟⎝ 2 ⎠ = 0 − 92 × 326 − 55
W = 0 − 92 × 326 − 55 × 981 × 2
90 − 7 2(∆E )rim = 0 − 92(∆E ) flywheel = 143 − 3 kg
Gambar 18-11
Wv s C s = 0 − 92 (∆E ) flywheelg
W × (2,850)2 × 0 − 02 = 0 − 92 × 25,790g
W = 0 − 92 × 25,790 × 981 = 143 − 3 kg(2,850)2 × 0 − 02
Contoh 18-5 Diagram 18-11 menunjukkan fluktuasi pada momen putar yang
efektif sampai pada rata-rata momen putar pada mesin resiprok . Daerah di diatas
dan dibawah rata-rata lintasan momen putar dengan urutan 5-3,3-3,3-8,4-7,1-8,3-
6,3-5 dan2-8 sq-cm.
Diagram telah digambarkan seperti skalan di bawah ini,
Momen putar, 1 cm = 1,000 kg-m
Sudut putar 1 cm = 60 0
Untuk mesin, desain flywheel yang cocok. Rata-rata r.p.m yaitu 150
dan total fluktuasi kecepatan tidak boleh melebihi 3-5 % dari rata-rata
Tentukan daerah session silang yang cocok pada rim flywheel,
asumsikan total energi pada flywheel adalah
sampai pada 15 meter/ detik
15 rim. Kecepatan keliling flywheel
14
Hitung tekanan sentrifugal yang dihasilkan oleh rim flywheel.
Solusi :
Skala momen putar
1 cm = 1,000 kg-m
Skala sudut putar
1 cm = 60 0 = π
rad3∴ 1 cm 2 pada diagram momen
putar
(A.M.I.E., Summer 1975)
= 1,000 × π3
= 1,047 − 3 kg − mRata-rata kecepatan
Total fluktuasi kecepatan
=3-5 % rata-rata kecepatan
∴ N - N = 3 − 5
N1 2100
N1 − N 2 = C
Ns ≈ 0 − 035
Total energi flywheel
= 15
nilai rim14
Kecepatan keliling flywheel
v=15m/sec = 1,500 cm/sec
Yang pertama mari kita mencari maksimum fluktuasi energi
Dimana energi pada A = E∴ Energi pada B = E + 5-3
Energi pada C = E + 1- 53 - 3-3 = E +2
Energi pada D = E + 2 + 3-8 = E + 5-8
Energi pada E = E + 5-8 - 4-7 = E + 1-1
Energi pada F = E + 1-1 + 1-8 = E + 2-9
Energi pada G = E + 2-9
- 3-6 = E – 0-7(minimum energy)
(maksimum energy)
Atau
Energi pada H = E – 0-7 + 3-5 = E + 2-8
Energi pada I = E + 2-8 – 2-8 = E
= Energi pada A
Kita mengetahui bahwa maksimum fluktuasi energi∆E = Energi maksimum – Energi minimum
= (E + 5-8 ) –(E – 0-7) = 6-5 cm 2
= 6-5 × 2,047-3 = 6,800 kg-m
Mari kita cari rata-rata jari-jari flywheel
Dimana R= Rata-rata jari-jari flywheel
Kita mengetahui kecepatan putar flywheel
ω = v
R
2πN = v60 R
∴ 2π × 150 = 15
60 R∴ R = 0-956m = 95.6cm Jawab
Berat rim flywheel
Dimana W =berat rim flywheel
E =Total energi pada flywheel
Kita mengetahui bahwa ∆E = E × 2Cs
E = ∆E =2C
6,800
2 × 0 − 035= 97,143 kg − m
Selama total energi flywheel adalah
energi rim flywheel.
15 energi rim, oelh Karen itu
14
Erim = 14 E
15= 14 × 97,143
15
atau
= 90,
667 kg-m
1 × W v 2 = 90,667
2 g
1 × W 152 = 90,6672 9 − 81
W= 90,667 × 9 − 81× 2 = 7,906
kg152
Jawab
Area silang pada rim flywheel
Dimana A= Daerah silang pada rim
Kita mengetahui bahwa
W = Volum * Kepadatan
W
2πRρ = 7,960
2π × 95 − 6 × 0 − 0072
= 1,828 cm 2 Jawab
(Asumsikan ρ = 0 − 0072kg / cm2 )
Catatan = Apabila lebar rim (b) lebih besar 2 kali dari tebal (t)
A= b x t = 2t x t = 2 t 2
2 t 2 =
1,828 t
2= 914
t= 914 = 30-4 cm
Dan b=2t =60-8 cm
Tegangan sentrifugal yang dihasilkan oleh rim
Dimana f t = tekanan sentrifugal (tekanan tensil) diproduksi rim
Dengan menggunakan hubungan
f = ρ v 2 ≠ notasi
biasanyat g
= 0.0072 × (1500)2 = 16 − 5 kg /
cm2
981
Jawab
Contoh 18-6 Sebuah otto cycle membangun 50 I.H.P pada 150 r.p.m dengan 75
ledakan per menit. Perubahan kecepatan dari awal kepada akhir pada perlakuan
kekuatan tidak boleh melebihi 0-5 % dari rata-rata sisi lainnya. Desain saerah rim
yang cocok yang memiliki lebat empat kali lebih dalam supaya tekanan tidak
2
melebihi 49 kg/m. Asumsikan bahwa tekanan flywheel16
kali dari energi yang15
disimpan oleh rim dan kerja selama perlakuan kekuatan adalah 1-40 kali kerja
selama siklus. Kepadatan bahan rim yaitu 7,200 kg/m 2
Solusi:
Diketahui I.H.P, dibangun , P= 50
Kecepatan mesin N = 150 r.p.m
Ledakan per menit = 75
Fluktuasi kecepatan = ± 0 − 5% dari rata − rata
Total fluktuasi kecepatan
N 1 - N 2 =1 % rata-rata = 0-01
N Koefisien rata-rata kecepatan
C = N1 − N 2 = 0 − 01
N
f t = 40 kg/ cm
Energi yang disimpan pada flywheel
= 16 × Energi15
yang disimpas rim
Kerja selama perlakuan
= 1-40 x Kerja selama siklus
Kepadatan material rimρ = 7,200kg / m 2 = 0.0072kg / cm2
Pertana mari kita mencari ratar-rata torsi yang dipindahkan melalui
flywheel. Kita mengetahui bahwa
Horsepower , P =2π N
Trata−rata
4,500
Trata−rata = P × 4,500
2π N
= 50 × 4,500 = 239 kg − m2
π × 1
5
0
0
Selama ledakan per mnit sama denganN
, karena mesin 4 tak. Torsi2
V s sudut putar () pada mesin empat tak ditunjukkan pada gambar 18-12.
Kita tahu bahwa kerja per silkus
= Trata−rata × θ = 239 × 4π = 3,000kg − mKerja selama perlakuan
= 1-4 × 3,000 = 4,200kg − mPekerjaan selama kekuatan pukulan ditunjukkan oleh suatu segitiga
ABC di fig.18-12, di mana AC = π radians dan tingginya BF = T max
Pekerjaan selama pukulan
1 π x T
= 1 π x T2
max
= 42002
max
T4200x2
2674 kg-mmax = π =
Tingginya di atas rata-rata tenaga putaran garis ( Mean Torque Line ),
BG = BF- FG = Tmax − Tmean = 2674 – 239 = 2435 kg-m
Di area BDE ( yang ditunjukkan di fig 18.12) di atas rata-rata tenaga
putaran garis menghadirkan fluktuasi energi yang maksimum, oleh karena itu dari
hubungan geometris
2
2
Area ∆ BDE Area ∆ABC BG 2=BF 2
Maximum fluktuasi energi,
∆E = 4200⎜ 2435 ⎟ = 3283 kg-m⎛ ⎞⎝ 2674 ⎠Dimana ν = Percepatan roda
D = Diameter roda
f t = pν 2
g
40 = 0.0072ν981
ν = 40 x981 = 2335 cm / sec0.0072
= 23,35 m /secπ D N = 2335
60
D = 2335 x 60 = 2335 x 60
= 297.3 = 300 cmπ N
Dimensi Cross-sectional roda
π x150
dimana, t = ketebalan atau kedalaman roda
b = Jarak roda = 4t
Pertama-tama, kita temukan beban dari roda
dimana, E = Total energi roda
W = Beban yang melingkari roda
Hubungannya, ∆ E = E x 2 C B
E = ∆E
2C B
= 3483
2 x0.01= 174150 kg-m
Energi yang disimpan oleh roda
oleh karena itu energi dari roda ,
16 kali energi yang disimpan oleh roda,
15
Erim = 15
E = 15
16 16x174150 = 163265.6 kg − m
1 x
W υ 2 = 163265.62
1 x
W
2 9.81
g
23.352 = 163265.6
W = 163265.6 x 2 x 9.81 = 5875 kg
23.352
Kita ketahui bahwa beban roda,
W = A x 2π R x ρ = b x t x 2π x D
xρ2
5875 = 4t x t x 2π x 300
x 0.0072 = 27.14t
2
2
t 2 =t =
5875 = 216.5
27.14
216.5 = 14.7 cm
b = 4t = 4 x 14.7 = 58.8 cm
Contoh 18-7
Suatu mesin punch membuat 25 pukulan per menit dan mampu membuat
25 mm garis tengah melubangi di 18 mm plat baja tebal yang mempunyai
kekuatan shear strength 3000 kg/m2. Operasi berlangsung selama
revolusi poros mesin itu.
1 dari suatu
10
Horsepower memerlukan untuk mengemudikan motor, asumsi suatu
esisiensi mekanik 95%. Tentukan dimensi untuk panampang dari roda, yang
kecepatan putarnya 9 kali dari poros mesin. Koefisien fluktuasi kecepatan yang
diizinkan adalah 0.1
Roda terbuat dari besi cor yang mempunyai tekanan working stress
( tensile) 60 kg/cm2 dan berat 7.25 gm/cu cm. Diameter roda tidak melebihi 140
cm yang disebabkan oleh pembatasan ruang. Poros dan ruji diasumsikan untuk
dilengkapi 5% dari perputaran kelembaman dari roda.
2
2
Periksa tekanan sentrifugal yang ada di dalam roda itu.
Solusi :
Jumlah pukulan / min, n = 25
Diameter lubang, d = 25 mm = 2.5 cm
Tebal papan, t1 = 18 mm = 1.8 cm
shear strength, f s = 3000 kg/ cm
Efisiensi Mesin, η m = 95 % = 0.95
Kecepatan roda = 9 kali
Rata-rata kecepatan roda ,
N = 9n = 9 x 25 = 225 rpm
Koefisien kecepatan fluktuasi yang diijinkan,
CB = 0.1
Tegangan tarik, f t = 60 kg/ cm
Kepadatan besi cor, ρ = 7.25 gm/ cm3
Diameter roda, D = 140 cm
Radius roda, R = 70 cm
Area yang teriris = πdt1
= π x2.5x1.8 = 14.13 cm 2
Gaya lintang maksimum,
F = area x ketebalan = 14.13 x 3000 = 42390 kg
Energi per stroke = * Rata-rata shear force x ketebalan
= ½ F x t1
= ½ x 42390 x 1.8
= 38150 kg-cm
Energi per min = Energy/stroke x No. Of working strokes/min
= 38150 x 25 = 953750 kg-cm = 9537.5 kg-m
Horsepower diperlukan untuk mengandarai motor
= Energy required per min =
4500 xη m
9537.5
4500x0.95= 2.23 hp
Dimensi roda penampang-lintang
⎜
2
2
2
Mempertimbangkan panampang lintang dari roda segiempat dan
diasumsikan lebar roda sama dengan dua kali ketebalan roda.
dimana, b = lebar roda
t = tebal roda
A = Cross sectional area roda = b x t
Operasi berlangsung selama1
dari suatu revolusi poros mesin, oleh10
karena itu selama
di dalam roda itu.
9 dari suatu revolusi poros mesin, energi yang disimpan
10
Maximum fluktuasi energi,
∆E = 910
x Energy per stroke = 910
x38150 = 34335 kg − cm
Dimana W = berat roda
Poros dan ruji menyediakan 5% dari perputaran kelembaman dari roda, oleh
karena itu fluktuasi energi yang maksimum yang disajikan oleh roda menjadi 95%∆E = Iω C B
W 2 ⎛ 2πN ⎞= k ⎜g ⎝ ⎟ C B60 ⎠
0.95 x 34335 = W
70 2 ⎛ 2π
225 ⎞⎟ 0.1 = 276 W ( k = R = 70 cm )
981 ⎝ 60 ⎠W =
0.95 x 34335 = 118 kg276
Berat roda diketahui,
W = volume x kepadatan = AxπDxρ118 = Axπ 140x
7.25
1000
A = 118 x1000πx140x7.25
= 37 cm 2
Asumsi perbandingan lebar roda ke ketebalan roda menjadi 2,
A = b x t = 2 t 2
2 t 2 = 37
t 2 = 37 = 17.52
t = 4.2 cm
b = 2 x 4.2 = 8.4 cm
dan periksa centrifugal stress
dimana f t = centrifugal stress
f = ρ υ 2t
g
7.25 ⎛ πx140x225 ⎞ 2= x⎜1000x981 ⎝ ⎟
60 ⎠ =20 kg/ cm 2
Tekanan roda
Ket =υ = πDN cm /
sec60
Berikut adalah tekanan dari suatu roda.
1. Tegangan Tarik ( Tensile Stress ) berkaitan dengan gaya sentrifugal
bertindak pada roda
2. Bending stress berkaitan dengan tenaga putaran memancarkan dari roda
kepada batang atau dari batang kepada roda itu.
3. Shrinkage stresses menekankan dalam kaitan dengan berbeda tingkat
mendingin.
Kita akan sekarang mendiskusikan dua hal pertama itu jenis menekankan
sebagai berikut:
1. Tegangan-Tarik dalam kaitan dengan gaya sentrifugal
Dalam kaitan dengan gaya sentrifugal bertindak pada roda, lengan akan
dijadikan untuk mengarahkan tegangan tarik siapa penting/besar adalah
sama seperti dibahas di artikel yang sebelumnya
Tensile stress in the arms,
3f t1 = f
4
3ρυ 2=
4g
2. Bending Stress dalam kaitan dengan tenaga putaran yang sedang
dipancarkan
Dalam kaitan dengan tenaga putaran memancarkan dari roda, lengan akan
dijadikan untuk membengkokkan, sebab mereka memerlukan untuk
membawa tenaga putaran beban yang penuh. Dalam rangka menemukan
momen lentuk yang maksimum pada lengan, mungkin saja diasumsikan
sebagai centilever berkas cahaya yang tetap di poros dan membawa suatu
beban terpusat di akhir roda itu.
dimana, T = Tenaga putaran yang dipancarkan
R = Rata-rata radius roda
r = Radius poros
n = Jumlah lengan
Z = Modulus bagian untuk panampang-lintang
Mengisi pada masing-masing lengan tangan
= T
R n
Maksimum momen lentuk ( Bending Moment ) yang berada pada lengan
tangan di poros
M = T
R nx(R − r )
Bending stress pada lengan,
Mf b1 = Z
= T
R n Z(R − r )
Total tensile stress pada lengan di akhir poros,
Cat :
f = f t1 + f b1
1. Total tekanan pada lengan mestinya tidak melebihi tekanan yang diizinkan
2. Jika roda digunakan sebagai suatu sabuk pulley, kemudian lengan juga
diperlakukan untuk lentur dalam kaitan dengan menjaring tegangan
sabuk (T1 − T2 ) , dimana T1 dan T2 adalah tegangan pada sisi kendor dan sisi
ketat berturut-turut. Oleh karena itu lentur menekan dalam kaitan dengan
tegangan sabuk,
f b 2 = (T1 − T 2 )(R − r )
n xZ
2
Total bending stress di lengan di poros akhir,
f b = f b1 + f b 2
= T (R − r ) + 2(T1 − T2 )(R − r ) = R − r ⎡ T
+ 2(T − T )⎤RnZ nZ nZ R
1 2
Dan total tensile stress di lengan di poros akhir,
f = f t1 + f b1 + f b 2
18.9 Dimensi Cross-Sectional lengan roda
Panampang-Lintang dari lengan pada umumnya berbentuk lonjong
dengan sumbu utama ( major axis ) dua kali lebih pelengkap poros ( minor axis ),
seperti ditunjukkan di fig 18-14 dan itu dirancang untuk tegangan lentuk yang
maksimum itu ( maximum bending stress ).
dimana, a1 = Sumbu utama ( Major axis )
b1 = Pelengkap poros ( Minor axis )
Section modulus Z = π
b a 2
....(i)32
1 1
Kita ketahui bahwa maximum bending stress,
Mf b1 = Z
= T RnZ (R − r ) ......(ii)
Asumsi
Cat :
a1 = 2 b1 , dimensi dari lengan diperoleh dari ( i) dan ( ii)
1. Lengan dari roda yang runcing dari poros ke roda itu. Rumcingnya sekitar
2 cm per meter panjangnya dari lengan sumbu utama ( major axis ) dan 1
cm per meter panjangnya dari pelengkap poros ( minor axis ).
2. Jumlah lengan umumnya 6. Kadang-Kadang jumlah lengan mungkin 8,
10, atau 12 untuk roda yang ukurannya sangat besar.
3. Lengan boleh lurus atau curved. Tetapi lengan lurus mudah untuk
melempar dan tongkang
4. Lengan diperlakukan ke pembalikan yang menekankan, oleh karena itu
suatu faktor keamanan minimum 8 yang harus digunakan. Dalam beberapa
hal seperti mesin dan mesin yang punching yang diperlakukan ke
goncangan yang keras, faktor keamanannya 15 yang harus digunakan.
5. Roda terbang yang lebih kecil ( diameternya kurang dari 60 cm ) tidak
dilengkapi dengan lengan. Mereka dibuat tipe jaringan dengan lubang di
dalam jaringan agar mudah menanganinya.
18.10 Perancangan tangkai, poros dan kunci
d d⎝ ⎠
Diameter tangkai untuk roda diperoleh dari tenaga putaran yang
maksimum dipancarkan. Kita ketahui bahwa
T = π f d
2max
16 s 1
d1 = diameter tangkai
f s = Shear stress diijinkan menekan untuk material dari tangkai
Poros dirancang sebagai tangkai yang kosong, untuk putaran tenaga yang
maksimum. Kita ketahui bahwa
T = π ⎛ 4 − 4 ⎞f ⎜ 1 ⎟max
16 s ⎜ d 3 ⎟
d = diameter luar
d1 = Diameter poros bagian dalam atau diameter tangkai
Diameter poros pada umumnya diambil dua kali dari diameter tangkai dan
panjangny dari 2 sampai dengan 2.5 kali diameter tangkai.
Bentuk standar digunakan untuk poros dan tangkai. Panjang kunci
diperoleh dengan mempertimbangkan kegagalan kunci dalam memotong. Kita
ketahui bahwa tenaga putaran yang dipancarkan oleh tangkai,
Tmax = l x w x f
s
x d1
2
l = panjang kunci
f s = shear stress dari material
d1 = diameter tangkai
Contoh 18-8
Suatu besi cor roda, rata-rata diameternya 3 meter, mempunyai enam
lengan bagian berbentuk lonjong. Diperlukan persediaan 57350 kg-m energi, yang
berputar pada 100 rpm. Kecepatan rata-rata diameter adalah 19m/sec. Asumsi
keseluruhan energi disimpan di dalam roda, temukan panampang lintang, jika
jarak lebarnya adalah 30 cm.
Temukan panampang-lintang dari lengan dekat boss, mendekati asumsi
yang perlawanan yang melengkung sepadan dengan perlawanan puntiran tangkai
yang diameternya 12.5 cm . Shear stress yang maksimum menekan di tangkai
tidak melebihi 630 kg/cm2 dan tegangan-tarik di lengan 160 kg/cm2. Asumsikan
pelengkap poros ( minor axis ) dari bentuk lonjong menjadi 0.65 sumbu utama.
Solusi :
Diameter roda, D = 3m
Radius roda, R = 1.5 m = 150 cm
Jumlah lengan, n = 6
Energi yang disimpan, E = 57350 kg-m
Kecepatan roda, N = 100 rpm
Kecepatan sudut roda,
ω = 2πN = 2πx100 = 10π rad/sec
60 60 3