gabungan 1 2 3 baru

7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru

1/41

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Sepeda merupakan kendaraan dengan memanfaatkan tenaga manusia

dengan system transmisi tertentu untuk menggerakan roda. Perkembangan sepeda

dimulai tahun 1818, alat transpotasi pertama yang menggunakan dua roda dan

digerakan dengan cara mendorong dengan kaki bersamaan disebut Draisienne.

Sepeda komersial pertama diberi nama velocipede dimana pedal dihubungkan

dengan roda depan pada tahun 1863. Perkembangan sepeda dari segi keselamatan

mulai berubah pada tahun18!, sepeda "konvensional# dengan penggerak rantai

yang menghubungkan pedal dengan hub belakang, design frame yang tidak kaku

dengan penemuan pola terkuat dan ringan yang disebut diamond frame,serta

ditemukannya ban pneumatic yang dapat meminimalkan getaran sepeda.

Seiring pekembangan $aman, kekurangan sepeda transmisi rantai

"konvensional# semakin dirasakan pengendara. %al ini diakibatkan sering ter&adi

'chain bite( atau kecelakaan yang ditimbulkan akibat ter&epit rantai sepeda dan

&uga terkena kotoran dari rantai sepeda, pemeliharaan yang sulit dari tiap part

transmisi rantai, tingkat kebisingan yang dikarenakan adanya kontak pada rantai.

)novasi untuk men&a*ab kekurangan transmisi rantai adalah dengan transmisi

'chainless( atau tanpa rantai. +erdasarkan &enis penggeraknya sepeda tanpa rantai

dibagi men&adi tiga yaitu poros penggerak, kabel penggerak, dan tanpa transmisi.

Poros penggerak tersusun dari dua pasang bevel gear yang dihubungkan poros.

Sedangkan kabel penggerak, pedal terhubung dengan kabel yang terlilit drum

kecil dan tersambung dengan roda belakang sehingga putara roda belakang

samadengan putaran drum dari kayuhan. anpa transmisi dimana pedal lansung

terhubung dengan roda belakang.

1


2/41

-ambar 1.1 ekurangan sepeda konvensional

+erdasarkan kekurangan tersebut, pada tugas akhir ini dilakukan

pengembangan desain transmisi tanpa rantai penggerak poros untuk memodifikasi

sepeda polygon sierra tanpa merusak frame. Sehingga penggunaan bevel gear

diganti dengan cross helical gear. /alaupun ada beberapa gear yang

memungkinkan seperti spheroid gear, hypoid gear, ataupun *orm gear. Sphiroid

gear dan hypoid gear tidak digunakan karena pemasangan spheroid dan hypoid

masih dapat merusak frame pada rancangan sepeda, geometri dari gear yang

khusus berbentuk spiral"spheroid# dan hyperbolic"hypoid# sulit untuk disesuaikan

dengan transmisi yang direncanakan, dan &uga dirancang bangun yang sulit serta

biaya yang terbatas. Sedangkan *orm gear tidak digunakan karena *orm gear

untuk mereduksi putaran yang sangat tinggi men&adi putaran yang rendah atau

rasio kecepatan yang digunakan besar,dan effisiensi dari tansmisi *orm gear yang

kecil akibat gesekan yang ter&adi. Penggantian bevel gear dengan cross helical

gear pada transmisi chainless mudah untuk dilepas serta dipasang kembali tanpa

2


3/41

merusak frame serta bagian lainnya dari sepeda. etapi kelemahan dari crossed

helical gear adalah manufaktur yang rumit dan perhitungan analitis belum banyak

dibahas. Selama ini untuk perhitungan analitis crossed helical gear dapat

diasumsikan sama dengan *orm gear yang sebenarnya kekuatan dan keausan

akan lebih rendah.

-ambar 1.0 "a# perbandingan *orm, spiroid, bevel, dan hypoid gear dan "b# posisi gear pada sepeda yang

akan dianalisa

saha untuk minimalisasi kelemahan dari crossed helical gear terutama

dari kekuatan bending dan kontak, &ika dibandingkan dengan helical gear titik

kontak yang ter&adi lebih banyak dan &ika dibandingkan *orm gear profil gear

yang berbeda menhasilkan distribusi tegangan yang berbeda &uga sehingga tidak

dapat didekati dengan persamaan yang sudah ada. 2nalisa tegangan dapat

dilakukan dengan cara analisa melalui metode elemen hingga. 45 "finite

element method# dari soft*are ansys merupakan salah satu soft*are metode

numerik yang dapat digunakan untuk menganalisa beban dinamis pada gear.%asil dari analisa simulasi 45 dibandingkan dengan kekuatan material sehingga

biaya manufaktur crossed helical gear dapat ditekan dengan cara menurunkan

grade dari material yang digunakan. Selain itu dilakukan &uga variasi sudut heli

crossed helical gear pada pasang gear agar dapat diketahui fenomena perubahan

tegangan bending dan kontak yang ter&adi.

I.2 Rumusan Masalah

3


4/41

+erdasarkan latar belakang yang di&abarkan pada sub bab 1.1, maka

permasalahan yang diangkat pada tugas akhir ini dapat dirumuskan sebagai

berikut7

1. +agaimana merancang crossed helical gear pada sepeda tanpa rantai yang

tidak merusak frame dan aman terhadap tegangan bending dan kontak

0. +agaimana fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap tegangan

bending crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan

simulasi dinamis

3. +agaimana fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap tegangan

kontak crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan

simulasi dinamis

I.3 Tujuan

u&uan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut7

1. ntuk merancang crossed helical gear pada sepeda tanpa rantai yang tidak

merusak frame dan aman terhadap tegangan bending dan kontak.

0. ntuk mengetahui fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap

tegangan bending crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan

simulasi dinamis.

3. ntuk mengetahui fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap

tegangan kontak crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan

simulasi dinamis.

I. Batasan Masalah

2gar pembahasan masalah dalam tugas akhir ini terarah dan dapat

mencapai tu&uan yang telah ditentukan, maka beberapa batasan masalah perlu

diberlakukan. +atasan masalah pada tugas akhir ini yaitu7

1. 9ancangan dikhususkan pada pasangan crossed helical gear transmisi

bagian depan sepeda

0. Digunakan material yang sudah ada di pasaran ":;< 1=>#

4


5/41

3. Dimensi gear sesuai space pada transmisi sepeda "&arak antar pusat gear

0.=in dan diameter outside gear 3.=in#

?. -etaran tidak dianalisa

=. %anya crossed helical gear yang dianalisa

6. Pelumasan tidak dianalisa

. Perubahan panas akibat gesekan tidak dianalisa

8. Pembebanan dianggap konstan

I.! Man"aat

5anfaat dari penelitian sebagai berikut.

1. ontribusi tidak lansung terhadap pengembangan pengetahuan teknologi

mekanika

0. Sebagai refrensi untuk penelitian berikutnya maupun yang ingin

membuat rancang bangun tentang sepeda tanpa rantai penggerak poros

3. 5engetahui seberapa besar pengaruh sudut heli terhadap tegangan yang

ter&adi pada cross helical gear

5


6/41

BAB II

TIN#AUAN PU$TA%A

II.1 Penel&t&an ter'ahulu

+erikut ini beberapa contoh penelitian terdahulu yang membahas mengenai

rancangan sepeda tanpa rantai dan kekuatan crossed helical gear.

II.1.1 $ung(Hua Hsu )1**+,

Pada penelitian ini dilakukan perancangan transmisi sepeda tanpa rantai

penggerak poros menggunakan bevel gear dengan merusak frame bagian ba*ah yang

digantikan oleh sistem transmisi 0 pasang bevel gear dan poros penggerak. Seperti pada

gambar 0.1 yang menun&ukan system transmisi dan hub internal gear. Penambahan hub

internal gear guna mengubah rasio kecepatan pada sepeda dikarenakan rasio total bevel

gear yang digunakan adalah sebesar 1 untuk menghindari perubahan kekuata maupun

efisiensi transmisi yang diakibatkan adanya sudut &ika berbeda rasio antara bagian depan

dan belakang. %su &uga merancang geometri bevel gear bagian belakang agar sesuai

dengan hub internal gear sehingga geometri bevel gear bagian depan mengikuti bagian

belakang. 2tas dasar ini peneliti merancang geometri crossed helical gear selaindisesuaikan dengan space pada hub internal gear &uga disesuaikan dengan space pada

frame bagian ba*ah agar tidak merusak frame.

-ambar 0.1 ransmisi sepeda tanpa rantai penggerak poros bevel gear "%su,1!!6#

II.1.2 Te&j&r- amanaka an' /h-tar- Naruse )1***,

Pada penelitian ini dilakukan studi eperiment untuk mengetahui pengaruh

variasi profil gigi yang dikenai beban putaran "rpm# terhadap specific *ear, friction loss,

dan beban scuffing pada crossed helical gear agar dapat meminimalkan beban scuffing

pada crossed helical gear.


7/41

contact ratio yang berbeda@beda berdasarkan perbedaan tip diameter,tip tooth thickness,

dan tinggi gigi. Setiap pasang gigi tersebut diberi beban putaran sebesar

6?3rpm,1=>>rpm,3=>>rpm,?!=>rpm. Data geometri keempat crossed helical gear tersebut

ditun&ukan pada table 0.1

Tabel 2.1 Variasi Dimensi Geometri Crossed Helical

Gear(Naruse1!!!"

(a" (b"

(c"

-ambar 0.0 -rafik variasi profil gigi dan perlakuan permukaan terhadap "a# beban scuffing "b# spesfik *ear

"c# friction loss fungsi beban putar "


8/41

diberikan pada variasi kontak rasio makan tegangan scuffing yang ter&adi semakin kecil

sedangkan semakin kecil kontak rasio pada variasi beban putaran pada gear maka beban

scuffing pada gear akan semakin kecil.

Pada gambar 0.0b ditun&ukan grafik variasi profil gigi dan perlakuan permukaan

yang dikenai beban putaran terhadap specific *ear. Semakin besar beban putaran yang

diberikan pada variasi kontak rasio makan specific *ear yang ter&adi semakin besar

sedangkan semakin besar kontak rasio pada variasi beban putaran pada gear maka

specific *ear pada gear akan semakin besar &uga. /alaupun perubahan tidak signifikan

hal ini dapat dimanfaatkan untuk perancangan material minimal yang tahan terhadap

tegangan kontak yang ter&adi pada crossed helical gear.

Pada gambar 0.0c ditun&ukan grafik variasi profil gigi dan perlakuan permukaan

yang dikenai beban putaran terhadap friction loss. Semakin besar beban putaran yang

diberikan pada variasi kontak rasio maka friction loss yang ter&adi semakin kecil

sedangkan perubahan kontak rasio pada variasi beban putaran gear tidak mempengaruhi

specific *ear yang ter&adi pada gear.

Sehingga peneliti dapat menyimpulkan semakin kecil kontak rasio dapat

meminimalkan kerugian pada crossed helical 7

1. 5enurunkan batas beban scuffing0. 5enaikan tahanan spesifik kontak tetapi tidak terlalu signifikan

3. idak mempengaruhi friction loss

etiga hal ini dapat men&adi dasar peracangan crossed helical gear yang

digunakan untuk perancangan transmisi sepeda tanpa rantai.

II.2 Dasar Te-r&

Dasar teori yang digunakan adalah untuk merencanakan elemen elemn mesin

yang digunakan pada transmisi sepeda tanpa rantai penggerak poros, maka data yang

pertama perlu diketahui adalah besarnya gaya@gaya serta torsi yang beker&a pada dan

transmisi sepeda. %al tersebut didapatkan dengan cara menganalisa berdasarkan besar

gaya yang digunakan untuk menggerakan sepeda. emudian pembahasan perancangan

transmisi crossed helical gear dari rancangan geometri hingga material yang aman

terhadap pembebanan yang ter&adi pada gear.

$


9/41

II.2.1 0aa ang Terja'& a'a $ee'a

+esarnya gaya yang dibutuhkan untuk menggerakan sepeda dapat dianalisa

dengan menghitung gaya@gaya yang beker&a seperti berat pengendara, berat sepeda, gaya

pada %ukum


10/41

II.2.1.1 Tahana u'ara

-aya hambat yang disebabkan tekanan udara yang menekan menu&u arah

berla*anan dengan la&u sepeda dikarenakan udara menekan ke segala arah, dirumuskan 7

Ra=1

2 Cd Va

2A

"0.#

Dimana 7

9aA tahanan udara "lb atau .>1? C road racing tires A >.>>?#

/ A berat total "lb atau


11/41

II.2.1.3 0aa e'al

otal gaya yang ter&adi pada pedal adalah gaya yang yang akan ditransmisikan

sebagai penggerak roda belakang sepeda. Penentuan gaya maksimum pada pedal

diperlukan untuk menetukan po*er input dan torsi maksimal yang akan diberikan pada

sepeda, sehingga bisa didapatkan dimensi yang direncakan pada transmisi sepeda.

-ambar 0.= -aya maksimum pada pedal "%o*ard Sutherland. 1!!=#

II.2.2 Peren4anaan T-rs&

Data @ data yang ditransmisi didapatkan dari refrensi = yang digunakan dalam

perancangan yang aman digunakan po*er output maksimal dari pengendara rata@rata

sebesar = *att ">.1hp# dengan variasi kecepatan putaran pedal "gambar 0.= #. Dengan

data yang ada besar torsi yang yang akan ditransmisikan dinyatakan sebagai berikut 7

T=hp63000n

"0.8

#

Dimana 7

hp A daya yang dibutuhkan "hp#

A torsi yang dihasilkan pedal "lb@in#

n A kecepatan putar pedal "rpm#

11


12/41

-ambar 0.6 -rafik kecepatan putar pedal terhadap po*er keluaran dari pengendara "%o*ard Sutherland.

1!!=#

II.2.3 Peren4anaan /r-ss Hel&4al 0ear

9oda gigi ;ross Helix adalah roda gigi yang profil giginya miring berputar

seperti spiral dan digunakan untuk transmisi daya pada poros yang bersilangan. 9oda

gigi cross heliks &uga digunakan untuk kecepatan tinggi dan untuk transmisi daya yang

besar, roda gigi miring menghasilkan noisedan getaran yang rendah dibandingkan roda

gigi lurus.Helical geardigunakan &ika efisiensi dan quieter operationpenting "biasanya

banyak dipakai di automobile#, dimana &umlah Sudut Helix untuk pasangan gear harus

sama dengan sudut antar poros.

II.2.3.1 Pr-"&l 0&g& In5-lute

Pada koordinat kartesian kurva involute memilik persamaan parametric sebagai

berikut

t

cos t+tsin

x=r

"0.!#

t

sin t+tcosx=r

"0.1>#

dimana 7 r 7 radius dari lingkaran "in#

t 7 parameter sudut dalam radian

2pabila nilai sudutnya positif maka akan terbentuk kurva berputar sesuai kaidah

tangan kanan ";;/#. 2pabilanilai sudutnya negative maka akan ter&adi sebaliknya yaitu

12


13/41

akan berputar berdasarkan kaidah tangan kiri ";/#. Pada gambar 0. 5enun&ukkan kurva

involute menggunakan sudut parametrik positif.

-ambar 0. urva involute dengan sudut parametrik positif pada koordinat kartesian

"en.*ikipedia.orgB*ikiBinvolute#

9oda gigi dengan profil gigi involute pertama kali di desain oleh eonard 4uler,

&enis roda gigi yang sering digunakan hingga saat ini disamping profil cycloid. 9erlepas

dari &enis spur gear atau helical , roda gigi dengan profil involute memiliki hanya satu

kontak yang ter&adi. 9otasi roda gigi yang menyebabkan titik kontak dari masing masing

permukaan gigi yang berpasangan berpindah. -aris singgung pada tiap titik kontak antara

permukaan gigi selalu tegak lurus "normal# dengan kurva involute profil gigi. Sehingga

garis gaya mengikuti garis kontak. Eleh karena itu, garis kontak &uga disebut pressure

line "garis tekan#. Sedangkan perpotongan antara garis kontak satu dengan garis kontak

yang lain akan menghasilkan sebuah titi yang disebut pitch point. -ambaran tetang profil

roda gigi involute, permukaan kontak, garis kontak dan titik kontak bias dilihat pada

gambar berikut 7

-ambar 0.8 "a# -ear dengan profil involute beserta garis kontaknya dan "b# ilustrasi menggambaekan profil

involute secara manual ";arter, 0>>#

13


14/41

;ara menggambar atau memodelkan kurva involute secara sederhana bias

dibayangkan dengan gulungan senar atau benang yang u&ungnya diikat pada sebuah

pensil. 5enggambar dimulai dengan menarik pensil dengan arah melingkar mela*an

gulungan benang dan benang harus tetap tegang. -aris yang terbentuk inilah yang disebut

kurva involute.

Pemodelan roda gigi involute dapat dilakukan dengan menggunakan ;2D

soft*are. ;ara menggambarnya bias secara manual atau otomatis tergantung soft*are

yang digunakan. Penggambaran secara otomatis biasanya lansung memasukan persamaan

kurva involute kemudian kurva involute lansung &adi. Sedangkan penggambaran secara

manual pada ;2D soft*are sebagai berikut 7

1. +uat lingkaran@lingkaran konsentris yang terdiri dari base diameter "db#, root

diameter "dr#, pitch diameter "d# dan outside diameter "do#.

0. -ambar garis dari pusat lingkaran sampai kurva base diameter dengan sudut >, !>,

18>, 0>. emudian membuat 13 garis dari pusat ke base diameter dengan &arak

antar garis sebesar F36>BG"1B0> base radius#B"PiHdb#IJ dan buat nomor urut garis

dari > sampai 1?.

3. +uat garis singgung pada masing masing u&ung garis di base circle dengan pan&ang

garis "1B0> base radius nomor garis#?. %ubungkan u&ung@ u&ung garis hingga membentuk kurva.

=. urva yang terbentuk adalah kurva involute.

14


15/41

-ambar 0.! ;ara membuat profil involute manual pada ;2D soft*are ";arter, 0>>#

II.2.3.2 Peren4anaan D&mens& 0e-metr& /r-sse' Hel&4al 0ear

+eberapa istilah yang akan digunakan dalam perencanaan geometri roda gigi crossed

antara lain7

1. D&ametral P&t4h )P,merupakan &umlah gigi tiap inchi lengkungan roda gigi atau

&umlah gigi pada roda gigi dibagi dengan diameter pitch circlenya

P=Nt

d

"0.11#

0. /&r4ular &t4h ),&arak roda gigi yang diukur pada pitch circlenya yaitu &arak satutitik pada roda gigi sampai titik pada roda gigi berikutnya pada kedudukan yang sama.

Persamaan dari pen&elasan diatas adalah

p=d

Nt

"0.10#

Sehingga 7

Pp= "0.13#

Dimana 7

15


16/41

p 7 circular pitch

P 7 diametral pitch

#

Dimana 7

9v 7 velocity ratio

n 7 kecepatan putar

16


17/41


18/41

Rb=rcos n "0.06

#

!. /&r4ular Base ),adalah &arak titik base pada satu gigi ke base gigi yang lain

dan dinyatakan seagai berikut 7

pb=pcosn "0.0#

1,. Profil gigi pada gear terdiri dari adendum, dedendum, working

depth, whole depth, clearance. -asin masin eometri

/ada bidan transer0e (...t" dan normal (...n" da/at dinataan

/ada tabel 2.3 *istem ii

able 1abel 0.0 ooth System "Dutchman, 1!=#

1?.=>

ull

depth

1?.=>

;omposite

0>> ull

depth

)nvolute

0>>Stub

)nvolute

0>>

;omposite

Pitch

0>>ine

Pitch

0=>ull

depth

)nvolute

2ddendum 1

P1,2

1

P1,2

1

P1,2

0.8

P1,2

1

P1,2

1

P1,2

1

P1,2

Dedendum 1.157

P1,2

1.157

P1,2

1.25

P1,2

1

P1,2

1.25

P1,2

1.2

P1,2

+0. 1.25

P1,2

;learance 0.157

P1,2

0.157

P1,2

0.25

P1,2

0.2

P1,2

0.25

P1,2

0.2

P1,2

+0. 0.25

P1,2

/orking

depth

2

P1,2

2

P1,2

2

P1,2

1.6

P1,2

2

P1,2

2

P1,2

2

P1,2

/hole

depth

2.157

P1,2

2.157

P1,2

2.25

P1,2

1.8

P1,2

2.25

P1,2

2.2

P1,2

+0. 2.25

P1,2

1$


19/41

-ambar 0.11 geometri dasar dari helical gear "Dudely,0>>>#

11. 8&llet )r"#adalah lengkungan yang terbentuk pada akar profil gigi, fileet &uga

merupakan tempat ter&adinya konsentrasi tegangan bending dari gear sehingga

perlu dianalisa. T--th th&4kness )t, adalah tebal dari progil gigi tebal gigi ini

dibentuk dari involute gear dan besar kecilnya tebal gigi akan mempengaruhi

inersia pada gear sehingga dapat mempengaruhi tegangan bending &uga. illet

dan dan tooth thikness dapat dinyatakan persamaan 7

r!=0.3

P

"0.08

#

t=1.5708

P n

"0.0!

#

tact=tth"ory#

2

"0.3>

#

10. /-nta4t length )AB,adalah pan&ang kontak dimana ter&adinya kontak. Pan&ang

kontak berhubungan dengan 4-nta4t rat&- )/Rn# dimana perbandingan pan&ang

kontak dengan circular base. eduanya dinyatakan dalam persamaan 7

A#=(r2+a2 )2r

2

2cossin+( r1+a1 )

2r

1cossin

"0.31

#

CR=A#

pb

"0.30

#

1!


20/41

13. Inter"eren4e )Int,adalah fenomena dimana kontak antar gigi ter&adi mele*ati

batas lingkaran base yang diakibatkan &umlah gigi yang terlalu kecil dan dapat

menyebabkan gear tidak bergerak. )nterference dapat dihitung dengan persamaan

ra $nt"r!"r"nc"=rb2+c

2sin

2

"0.33

#

ra act%a&=r+2a "0.3?

#

raactual L rainterference "0.3=

#

"a# "b# "c#

-ambar 0.10 "a# interference dan "b# backlash "Dudely, 0>>>#

1?. Ba4klash )B,adalah &arak space antara gigi saat gigi ter&adi kontak. Mang lebih

besar dari lebar gigi sehingga kontak tidak akan ter&adi. ntuk menangani statis

backlash dapat menggunakan nilai seperti tabel rekomendasi 0.3

abel 0.3 9ekomendasi +acklash yang dii$inkan pada gear "Dudely, 0>>>#

II.2.3.3 Anal&sa Bean /r-sse' Hel&4al 0ear

erdapat beberapa perbedaan kontak yang ter&adi pada roda gigi luris, roda gigi

miring, dan roda gigi cacing. 9oda gigi lurus kontak a*al yang ter&adi pada keduanya

2,


21/41

berupa suatu garis kontak, hal tersebut dapat menyebabkan shock effect yang dapat

menyebabkan terbatasnya besar gaya yang bisa ditransmisikan dan menghasilkan suara

yang amat berisik. +erbeda dengan roda gigi miring dimana kontak a*al yang ter&adi

antara kedua roda gigi merupakan suatu titik kontak, titik kontak ter&adi dikarenakan

adanya sudut heli yang menimbulkan perubahan pada sudut kontak. Sehingga

perbandingan kontak &uga akan semakin besar. %al ini yang menyebabkan beban yang

diterima semakin kecil dan pergerakan lebih halus. Sedangkan roda gigi cacing a*al

ter&adi kontak berupa titik kontak yang lebih baik dari roda gigi miring dikarenakan

geometri *orm gear yang terbentuk dari sudut sudut kemiringan. Sudut K sudut ini

mempengaruhi besarnya titik kontak dan secara tidak lansung memperbesar perbandingan

kontak. /alaupun bending yang ter&adi akan semakin kecil tetapi tegangan kontak yang

ter&adi akan semakin berpengaruh saat merancang roda gigi. Nadi pendekatan persamaan

yang dapat digunakan untuk analisa beban crossed helical gear tidak hanya beban le*is,

beban kontak +uckingham tetapi mekanisme *orm gear.


22/41

-ambar 0.13 etentuan arah arah gaya aial crossed helical gear "Dudely, 0>>>#

2danya gaya thrust yang ter&adi menyebabkan kebutuhan bearing yang dapat

menahan gaya aksial dan menahan gaya radialnya. 2rah gaya thrust yang ter&adi pada

berbagai macam pasangan roda gigi miring bersilangan dapat dilihat pada gambar di

ba*ah ini

+esarnya efesiensi pada roda gigi cross helical dapat diketahui dengan 7

"!!=cosn !tan 1cos n+ !cot 1

"0.3!

#

dimanafmerupakan koefesien gesek sebagai fungsi kecepatan yaitu 7

!=0.155

V'0.2

d$(ana 3V'70 !t/($n"0.?>

#

!=0.32

V'0.36

d$(ana 70V'3000 !t/($n"0.?1

#

dimana :s merupakan kecepatan sliding gear yang memperbesar gesekan yang

ter&adi dan dirumuskan 7

V'= Vp1

cos2=

Vp2

cos2

"0.?0

#

Vp= d

1n1

12= d

2n2

12

"0.?3

#

22


23/41

2nggapan lain tentang gaya gesek pada sepasang roda gigi crossed helical yaitu

apakah ter&adi putaran balik atau tidak. 2pabila gaya gesek yang timbul terlalu besar,

pasangan roda gigi driver tidak dapat perputar balik atau akan mengunci sendiri "self

locking#. Pada umumnya bila sudut leaddari kedua gear 1>atau kurang, pasangan roda

gigi ini akan mengunci sendiri. Sifat mengunci sendiri ini menimbulkan keuntungan bila

nanti dalam pemakaian memang tidak dikehendaki adanya putaran balik.

Bean a'a 0&g&

Dalam merencanakan roda gigi ini diketahui torsi dan putaran yang dibutuhkan

sehingga gaya@gaya beban yang beker&a terhadap roda gigi dapat dihitung.

Daa ang '&has&lkanDaya yang dihasilkan dari kontak gear crossed helical ter&adi perubahan akibat

adanya gaya gesek dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut 7

h po%t=h p "!! "0.??

#

h p &o''=h ph po%t "0.?=

#

Dimana 7

%p "losses# 7 daya yang hilang "hp#

hp"input# 7 daya input "hp#

eff 7 efisiensi daya "Q#

hp"output# 7 daya output "hp#

T-rs& ang '&has&lkan

orsi yang dihasilkan bergantung pada daya keluaran gear dan putaran yang

ter&adi dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut 7

T=h po%t63000

n

"0.?6

#

Dimana 7

%p A daya yang dihasilkan "hp#

A torsi yang dihasilkan "lb@in#

n A kecepatan putar driver "rpm#

Bean ang '&transm&s&kan

+eban yang ditransmisikan samadengan beban tangential yang ter&adi pada roda

gigi dapat dinyatakan dalan rumus

23


24/41

Ft=2T

d

"0.?

#

Dimana 7

t 7 beban transmisi "lb#

7 torsi "lb@in#

d 7 diameter driven "in#

Anal&sa kekuatan g&g&

1. Tegangan en'&ng

-ambar 0.1? egangan bending pada kaki gigi gear "5arta, 1!!8#

egangan bending adalah salah satu faktor yang men&adi kriteria keamanan dalam

mendesain suatu produk atau barang. egangan bending pada gear ter&adi pada bagian

kaki@kaki gear atau fillet. egangan bending biasanya diakibatkan oleh beban yang

arahnya bersifat kolektoral terhadap suatu model atau struktur. egangan bending sendiri

memiliki sifat unik, yaitu apabila suatu benda dikenai momen bending maka benda

tersebut akan mengalami tegangan tarik dan tekan sekaligus seperti terlihat pada gambar.

%al ini dapat diturunkan men&adi persamaan 7

)=* c+

"0.?8

#

Dimana 7

7 egangan akibat momen bending

5 7 5omen +ending

c 7 Narak antara titik ter&auh terhadap sumbu netral

) 7 5omen inersia struktur

24


25/41

5omen inersia struktur memiliki keunikan tersendiri yaitu setiap bentuk struktur

yang sama namun sumbu netralnya berubah, maka perumusan momen inersia &uga akan

berubah. Nadi dengan memvariasikan sudut heli yang dan sumbu netral makan akan

didapatkan variasi momen inersia. Selain itu posisi geometri terhadap sumbu netral &uga

berpengaruh terhadap besarnya nilai momen inersia. kuran geometri sama namun posisi

terhadap sumbu netral yang berbeda maka akan menghasilkan besar momen inersia yang

berbeda pula. Pada kaki gear persamaan momen inersia yang digunakan adalah dengan

rectangular. ntuk lebih &elasnya bisa dilihat pada gambar dan perumusan berikut 7

-ambar 0.1= 5omen inersia untuk geometri rectangle "+udynas, 0>11#

2dapun perumusan momen inersia untuk rectangle sebagai berikut 7

+x=

bh3

12(a)

+

y=

b3

h

12(b )+

xy=0(c )

"0.?!

#

Dimana 7

+x 7 5omen inersia sumbu sebagai netral

+y 7 5omen inersia sumbu y sebagai netral

+xy 7 5omen inersia gabungan sumbu sumbu y sebagai netral

Persamaan diatas merupakan salah satu persamaan yang berkaitan dengan momen

inersia. Sehingga persamaan 0.?3 dapat diturunkan men&adi 7

)=*c

+ =

FtL1

2t

b t3

12

=6FtL

b t2

"0.=3

#

25


26/41

Sehingga didapatkan persamaan e*is sebagai berikut 7

Fb=*c

+ =

FtL1

2t

b t3

12

=6FtL

b t2

2. Tegangan k-ntak

erusakan permukaan gigi dapat disebabkan oleh terabrasinya permukaan gigi

akibat gesekan antar permukaan gigi yang tidak disertai sistem pelumasan yang baik

maupun akibat adanya material dalam minyak pelumas yang dapat menggores permukaan

gigi. Pada saat merancang crossed helical gear pemilihan material &uga didasari dari

kekuatan material untuk dapat menahan beban kontak berulang yang ter&adi. etahanan

material &uga dipengaruhi dari dimensi gear yang saling kontak satu sama lain. +esarnya

beban kontak tersebut disebut dengan tegangan %ert$ dan +uckingham yang dapat

dinyatakan sebagai berikut 7

)H=

Ft

(

1

r1

+1

r2

)( 1,12

-1

+1,

2

2

-2

)b

"0.=?

#

Dimana 7

R%7 egangan kontak %ert$ pada gear

r 7 &ari &ari gearset

b 7 lebar gigi

4 7 modulus young

7 posson ratio

...1,0 7 driver dan driven gear

26


27/41

-ambar 0.16 5omen inersia untuk geometri disk "Sularso, 0>>#

2#


28/41

BAB III

MET6D6L60I PENELITIAN

))).1 Diagram 2lir Penelitian

angkah K langkah pada penelitian ini dapat digambarkan melalui diagram alir berikut

7

2$


29/41

-ambar 3.1 Diagram alir penelitian

III.2 Langkah(langkah Penel&t&an

angkah K langkah penelitian dalam diagram alir di atas dapat di&abarkan sebagai

berikut 7

1. 5elakukan studi literature terutama yang bertema pengaruh perubahan sudut

heli terhadap kekuatan bending dan kekuatan aus pada crossed helical gear

2!


30/41

0. 5engumpulkan data@data baik geometri sepeda, material gear yang aman dan

yang ada di pasaran,geometri gear serta mekanika yang diperlukan untuk

penelitian dengan perhitungan pendekatan *orm gear

3. Permodelan gear secara 3D menggunakan soft*are ;2D dengan variable

bebas besaran sudut heli "#

?. 5elakukan simulasi menggunakan soft*are 42

=. 5elakukan analisa dan pembahasan pada data dan grafik

6. 5engambil kesimpulan dan analisa

III.2.1 $tu'& L&teratur

Pada tahap ini, peneliti mencari literatur yang berkenaan dengan pengaruh

perubahan sudut heli terhadap kekuatan bending dan keausan pada crossed helical gear

baik dari buku, artikel, maupun &urnal@&urnal penelitian sebelumnya dengan topik yang

sama. Selain itu, peneliti &uga mencari informasi tentang pengoperasian software FEA

yang digunakan. Sehingga diharapkan penelitian yang dilakukan mempunyai dasar teori

yang sesuai.

III.2.2 Pengumulan DataPada tahap ini dilakukan pengumpulan data@data mengenai properti mekanik

material yang terdapat di pasaran, data geometri, dan data@data mekanika saat roda gigi

beroperasi. 5elalui tahap ini, diharapkan penelitian yang dilakukan dapat mendekati

realitas operasi roda gigi di lapangan. Pada tabel 3.1 akan ditampilkan data material dari

roda gigi yang akan diteliti. 5aterial yang digunakan adalah material :;< 1=> atau

dapat pula didekatkan dengan ba&a 2)S) ?3?>. abel 3.0 menun&ukkan hasil perhitungan

geometri dari crossed helical yang akan disimulasikan dan hasil mekanika yang

disesuaikan dengan variasi pembebanan pada daya maksimal dari pengendara sepeda

ditun&ukan pada table 3.3, variasi sudut heli yang digunakan pada tiap pasangan crossed

helical gear adalah 3.=7=0.=, ?>7=>, ?0.=7?.=, ?=7?=. Dimana pemilihan cariasi

disesuaikan dengan batasan dimensi gear terhadap space transmisi sepeda yakni sudut

poros !>>, &arak titik pusat gear 0.3 @ 0.=in, dan untuk diameter outside driver 0.? K 3.?in.

2pabila sudut heli driven lebih besar maupun lebih kecil akan ter&adi interference pada

gear, &ika &umlah gigi dinaikan akan memperbesar diameter dan mele*ati batasan yang

dii$inkan. -eometri yang dibuat berdasarkan batasan dimensi agar tidak merusak frame.

3,


31/41

abel 3.1 Data material driver dan driven gear

Properties )mperial

Density >.08? lbBinT

5elting point 0=8>U

ensile strength 1==>>> psi

Mield strength 1>1>>> psi

+ulk modulus "typical for steel# 0>3>> ksi

Shear modulus "typical for steel# 116>> ksi

4lastic modulus 0==@3>?=8 ksi

PoissonVs ratio >.0@>.3>

4longation at break "in => mm# 0=.>Q

%ardness, +rinell 1!

%ardness, noop "converted from +rinell hardness# 01!

%ardness, 9ock*ell + "converted from +rinell hardness# !0

%ardness, 9ock*ell ; "converted from +rinell hardness. :alue belo* normal

%9; range, for comparison purposes only#13

%ardness, :ickers "converted from +rinell hardness# 0>

5achinability "based on 2)S) 1010 as 1>> machinability# =>

abel 3.0 Data variasi beban pada driver dan driven untuk analisa simulasi


32/41

T=hp63000

n =0.1hp63000

20rp( =315 &b

III.2.3 Perm-'elan 3D

Pada tahap ini dilakukan permodelan secara tiga dimensi "3D# menggunakan

soft*are 3D modelling. 5odel 3D yang dihasilkan digunakan sebagai input untuk

simulasi. Pada penelitian ini, dibuat model pasangan gear dengan variable bebas sudut

heli dan 0 pasangan model dengan varriabel rasio kecepatan. ombinasi dari kedua

variable bebas tersebut didapat model pasangan gear secara keseluruhan dan 1 pasang

gear untuk transmisi sepeda. :ariabel bebas sudut heli ditampilkan pada table 3.? dan

pasang gear untuk transmisi sepeda. /arna merah me*akili bagian daerah kontak pada

gear driver sedangkan biru driven.

abel 3.? :ariabel bebas sudut heli ditampilkan pada table 3.? dan pasang gear untuk transmisi sepeda

7=>#SX0

3 17

0 A

"?0.==7?

.=#

SX3

4 17 0

A "?=7?=#

SX?

III.2. $&mulas&

Pada tahap ini dilakukan simulasi 3D dinamis menggunakan soft*are 42. ntuk

men&alankan simulasi diperlukan langkah K langkah yang di&elaskan pada gambar 3.3

32


33/41

-ambar 3.0 diagram alir proses simulasi

Simulasi akan dilakukan dengan semua variasi yang mungkin ter&adi. Nika

simulasi dimisalkan S, pemodelan A X, torsi A M, maka simulasi akan dilakukan dengan

variasi mulai SX1M1 sampai SXM= dimana SX1M1 adalah simulasi pemodelan 1 beban

torsi ?. 5aka ada ?8 "86# kali simulasi. Dengan kondisi ini diharapkan data pada

kecepatan konstan, torsi konstan maupun variasi geometri.

33


34/41

III.2..1 Inut Eng&neer&ng Data

Proses input engineering data merupakan proses memasukkan data properti

mekanik material seperti kekuatan luluh, tarik, kompresi, dan lainnya seperti yang

disebutkan pada tabel 3.1. 5aterial yang digunakan untuk driver dan driven gear adalah

2)S) ?3?>.

III.2..2Import 0e-metr&

Pada tahap ini geometri roda gigi yang telah dibuat pada proses pemodelan 3D

dimasukkan ke dalamsoftware simulasiFEA agarsoftware simulasi mampu mengenali

format geometri yang dibuat sebelumnya.

III.2..3 Pen'e"&n&s&anBoundary Condition

Boundary conditionpada simulasiFEA memuat semua kontak, &oint, beban, serta

konstrain. Pendefinisian boundary condition dimulai dari pendefinisian kontak.

Pendefinisian kontak merupakan cara agar program simulasi dapat mengenali permukaan@

permukaan yang akan mengalami kontak. ontak yang diterapkan pada simulasi ini

adalah kontak &enis frictional dengan besar koefisien gesek >.>6 "untuk contoh SX?M1#.

Semua kontak yang diterapkan pada simulasi ini dapat digambarkan sebagai berikut.

-ambar 3.3 pendefinisian kontak gigi@gigi pada soft*are 42 "model SX8M1#

Dari gambar di atas, driver gear merupakan gear yang memiliki permukaan

kontak ber*arna merah yang berarti permukaan tersebut merupakan permukaan yang

melakukan kontak secara aktif. Sedangkan gear memiliki permukaan kontak ber*arna

biru yang menyatakan bah*a gear merupakan bagian yang terimbas kontak oleh driver

gear. Pengaturan kontak secara lengkap dapat dilihat pada tabel 3.6.

34


35/41

abel 3.= Pengaturan kontak pada soft*are 42

Eb&ect

Eb&ect faces

arget 11> faces

;ontact +odies SX8M3

arget +odies SX8M3

Definition

ype rictional

riction ;oefficient >.>6

Scope 5ode 5anual+ehavior Symmetric

Suppressed

orsional Damping >

Suppressed


36/41

"a# "b#

-ambar 3.? Pendefinisian &oint pada "a# driver gear dan "b# driven gear "model SX8M1#

Proses pendefinisan beban adalah proses menginput beban pada model.

Pembebanan yang digunakan adalah &oint rotational velocity "rpm#, &oint moment "torsi#,

dan standard earth gravity "percepatan gravitasi#. Setelah pendefinisian &oint dilakukan,

maka dilan&utkan dengan pendefinisian beban. Pada proses ini, semua beban yang berlaku

pada kondisi operasi sebenarnya dari roda gigi diterapkan. Pada penelitian ini, beban

yang beker&a pada roda gigi antara lain beban akibat putaran dan kontak antar gigi seperti

torsi dan inersia. +erikut pengatura pada masing masing pembebanan "model SX8M1#.

abel 3.1> Pengaturan pembebanan torsi C 9P5

Scope

Joint evolute!"round #o driver

$efinition

$%F otation &

#ype 'o(ent

'agnitude )*+lbf!in ,step applied-

.ock at .oad Step /ever

Suppressed /o

abel 3.11 Pengaturan pembebanan gravitasi

Scope

"eo(etry All Bodies

$efinition

0oordinate Syste( "lobal 0oordinate Syste(

1 0o(ponent !)23456 in7s86step applied-

9 0o(ponent 5

& 0o(ponent 5

Suppressed /o

$irection !1 $irection

emudian pastikan model pembebanan seperti pada gambar yang ditun&ukkan

gambar 3. sebelum dilakukan solving pada 2


37/41

-ambar 3. Pembebanan pada model

Pada gambar 3., dapat dilihat beberapa beban yang diaplikasikan pada model.

2nak panah ber*arna kuning menyatakan beban akibat percepatan gravitasi atau gaya

berat. +eban ini diaplikasikan pada kedua roda gigi. Sedang grafik beban ber*arna birumerupakan pembebanan akibat gerak dari kedua roda gigi.

Pendefinisian ti(e setting dilakukan supaya simulasi ber&alan pada *aktu yang

telah ditentukan oleh peneliti. Pendefinisian ti(e setting mencakup *aktu a*al, &arak

*aktu minimum, &arak *aktu maksimum, lama *aktu simulasi. Pengaturan analisa time

setting ditun&ukkan pada table berikut "model SX8M1#.

abel 3.! Pengaturan analisa simulasi dan time setting

%bject Analysis Settings

Step 0ontrol

/u(ber of Step *

0urrent Step /u(ber *

Step End #i(e +:e!55)s

Auto #i(e Setting %n

;nitial #i(e Step +:e!55+s

'ini(u( #i(e Step +:e!55+s

'axi(u( #i(e Step +:e!55


38/41

-ambar 3.= 5eshing pada model 3D "model SX8M1#

abel 3.6 Detail Pengaturan 5eshing

Display

Display Style +ody ;olor

Defaults

Physics Preference 5echanical

Solver Preference 5echanical 2PD

9elevance >

4lement 5idiside nodes >

Si$ing

se 2dvanced Si$ing Eff

9elevance ;enter ;oarse

4lement Si$e Default

)nitial Si$e Seed 2ctive 2ssembly

Smoothing 5edium

ransition ast

Span 2ngle ;enter ;oarse

5inimum 4dge ength 3.1106e@>>0 in

abel 3. Detail Pengaturan 5etode 5eshing

Scope

Scoping 5ethod -eometry Selection-eometry 0 bodies

Definition

Suppressed


39/41

*aktu tertentu. %al ini dimaksudkan agar ter&adi kompromi antara akurasi hasil dan

*aktu simulasi.

-ambar 3.6 "a# Penerapan face si$ing pada driver gear "b# Penerapan face si$ing pada driven gear "model

SX8M1#

Detail pengaturan kontrol local (es= disa&ikan pada table 3.8

abel 3.8 Pengaturan kontrol elemen mesh

%bject Face si>ing * Face si>ing 8

Scoping 'et=od "eo(etry Selection "eo(etry Selection

"eo(etry *+2 faces 8)< faces

/a(ed Selection driver driven

#ype Ele(ent Si>e

Ele(ent Si>e 54* in

Be=avior Soft

III.2..: Pen'e"&n&s&an Output

Setelah proses iterasi selesai, program akan menyimpan data@data hasil iterasi.

Data tersebut dapat ditampilkan secara 3D namun harus ditentukan terlebih dahulu data

yang kita butuhkan, pada penelitian ini data yang dibutuhkan adalah :on 5ises pada

seluruh bagian pasangan gear, dan untuk mengetahui besar tegangan yang ter&adi pada

masing masing gear serta membedakan tegangan kontak dantegangan bending,

pengatturan dapat dilakukan seperti pada table berikut ini "model SX8M1#.

abel 3.13 Pengaturan output von@mises seluruh body

Scope

Scoping

'et=od

/a(e

Selection

/a(

e

Selectio

n

/a(e

Selection

/a(

e

Selectio

n

/a(e

Selection

/a(e

Selection

"eo(etry Surface

contact

$riven

Fillet

$riven

Surfac

e contact

$riven

Fillet

$riven

Surfac

e contact

$riven

Fillet

$riven

3!


40/41

$efinition

#ype Equivalent ,?on!

'isses-

/or(al Stress #angential Stress

By #i(e

$isplay #i(e .ast

0alculate

#i(e History

9es

;dentifier

Suppressed /o

Setelah itu, maka didapatkan tabular data yang berisikan data tegangan pada

setiap *aktu tertentu.


41/41

"psi# "psi#1 3.= 7 =0.= =0.=

0 3.= 7 =0.= 63

3 3.= 7 =0.= 8.=? 3.= 7 =0.= 1>=

= 3.= 7 =0.= 1=.=

6 3.= 7 =0.= 31=

?> 7 => =0.=

Y Y Y Y Y Y Y Y Y

0? ?=7?= 31= !>=

=.3

13??! =>>8.

1030>

Setelah data dimasukkan ke dalam tabel, data@data tersebut kemudian diolah

men&adi grafik@grafik. -rafik digunakan untuk mempermudah analisa. 2dapun grafik

yang akan dibuat adalah grafik tegangan bending vonmises terhadap beban torsi, grafik

tegangan kontak vonmises terhadap beban torsi, grafik tegangan bending normal terhadap

beban torsi, grafik tegangan kontak normal terhadap beban torsi, grafik tegangan bending

tangential terhadap beban torsi, grafik tegangan kontak tangential terhadap beban torsi.

gabungan 1 2 3 baru

Documents