perancangan dan pengembangan cylinder block dan …
TRANSCRIPT
1
PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN CYLINDER BLOCK DAN CRANKCASE
MESIN OTTO SATU SILINDER EMPAT LANGKAH BERKAPASITAS 65CC
Frendy Rian Saputro 0906631194
Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Email : [email protected]
Abstrak
Banyak kasus tentang adanya krisis energi global yang sangat serius, kasus tersebut ialah penggunaan
bahan bakar fosil yang semakin besar setiap tahunnya. Penggunaan bahan bakar fosil saat ini tidak berbanding
lurus dengan besarnya bahan bakar fosil yang ada. Oleh karena itu , pengurangan konsumsi bahan bakar sangat
diperlukan sebagai salah satu solusi untuk mengatasi krisis energi global. Semua peneliti selalu berusaha
mengembangkan teknologi mesin yang irit bahan bakar dan terciptanya efisiensi dari mesin yang dikembangkan.
Pembuatan mesin yang irit bahan bakar dipengaruhi oleh desain, struktur, dan material yang dipergunakan.
Cylinder block dan crankcase adalah salah satu dari komponen yang mempengaruhi terciptanya mesin yang irit
bahan bakar. Perhitungan analitik dilakukan untuk mendapatkan dimensi dan kekuatan material dari pembuatan
cylinder block dan crankcase. Semua desain, struktur dan material sudah memenuhi nilai yang diizinkan. Setelah
didapat nilai yang diizinkan, cylinder block dan crankcase diuji kekuatannya dengan menggunakan software
ANSYS.14 untuk memperoleh nilai ekivalen maksimum dan minimum dari cylinder block dan crankcase.
Dengan membandingkan tegangan luluh material terhadap tegangan ekivalen maksimum dari perhitungan
analitik dan simulasi pada software ANSYS.14 maka, didapatkan titik acuan bahwa sebuah cylinder block dan
crankcase aman untuk dipergunakan.
Kata kunci : cylinder block, crankcase, tegangan
1. Pendahuluan
Manusia tidak dapat dipisahkan dari
kebutuhan pentingnya teknologi transportasi pada
era modern sekarang ini. Peningkatan sumber daya
manusia mempengaruhi semua aspek untuk berfikir
bagaimana bisa memajukan teknologi yang ada
sekarang ini. Teknologi sistem permesinan
berlomba-lomba untuk menciptakan mesin otto
yang irit akan bahan bakar dan efisien serta ramah
lingkungan. Tanpa disadari bahan bakar fosil sudah
menipis cadangannya dan tidak dapat diperbaharui
lagi. Dengan adanya kasus seperti ini para peneliti
selalu mengembangkan dan mencari cara untuk
membuat teknologi mesin otto yang lebih modern.
Hal itu pun tidak cukup untuk membuat semuanya
berjalan sempurna, pada tahun 1939 di Amerika
diadakan sebuah kompetisi kendaraan irit bahan
bakar yang dimana kompetisi tersebut adalah
kompetisi kendaraan yang menempuh jarak terjauh
hanya dengan 1 liter bahan bakar.
Terciptanya kendaraan irit bahan bakar ialah
dengan memperhitungkan bobot dari kendaraan
serta konsep kendaraan yang aoerodinamis.
Penekanan kompotesi ini tentunya tidak dari aspek
kendaraan saja, tetapi dari segi mesin yang selalu
dikembangkan dalam kompetesi ini. Dengan
konsep kendaraan seperti ini maka tidak
dibutuhkan mesin berkapasitas besar untuk
menjalan kendaraan ini. Semua ini yang
melatarbelakangi perancangan dan pengembangan
mesin otto empat langkah satu silinder berkapasitas
65cc. Mesin otto yang ada dikalangan masyarakat
saat ini ialah mesin otto empat langkah dengan
kapasitas mesin bervariasi. Mesin otto empat
langkah pada umumnya mempunyai konstruksi
mesin yang hampir serupa. Desain mesin yang
dirancang dan dikembangkan mengadopsi dari
mesin motor yang ada saat ini. Desain, konstruksi,
dan material sangat berpengaruh untuk
mendapatkan mesin yang irit dan effisien.
Beberapa komponen mesin yang penting dalam
segi konstruksi serta material ialah cylinder block
dan crankcase.
2. Metodologi Penelitian
Secara garis besar perancangan dan
pengembangan cylinder block dan crankcase mesin
otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65cc
dibagi menjadi dua pokok bahasan, yaitu
perhitungan analitik dan simulasi yang berbasis
komputasi numerik dengan menggunakan software
ANSYS.14. Pada perhitungan analitik perancangan
atau penentuan ukuran dilakukan berdasarkan teori
yang ada dan formula yang ditetapkan serta
membandingkan kekuatan material yang
dipergunakan untuk mendapatkan nilai acuan pada
cylinder block dan crankcase mesin otto satu
silinder empat langkah berkapasitas 65cc.
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
2
Gambar 1. Mesin Otto Satu Silinder Empat Langkah
Berkapasitas 65 cc
2.1 Ketebalan dan Kekuatan Cylinder block
Dengan diketahui tekanan maksimum akibat
pembakaran (Pmax) yang didapatkan dari
perhitungan termodinamika sebesar 8,72 MPa.
Maka bisa didapatkan tebal minimum dari
cylinder block melalui persamaan
... (1)
Dengan tm adalah ketebalan cylinder block
(mm), adalah tekanan internal dan adalah
tensile yield strenght material, ns adalah nilai
safety factor. Selanjutnya mencari tinggi flens
minimum dari cylinder block melalui persamaan
...(2)
Dengan adalah ketinggian flens dari
cylinder block dan adalah diameter dalam dari
cylinder block. Selanjutnya mencari panjang flens
minimum cylinder block melalui persamaan
...(3)
Dengan adalah panjang flens pada
cylinder block dan adalah diameter luar dari
cylinder block.
Gambar 2. Potongan dan foto cylinder block
Setelah perhitungan analitik desain didapat,
selanjutnya menghitung kekuatan material dengan
perhitungan analitik dan simulasi pada software
ANSYS.14, serta membandingkan hasil kekuatan
materialnya. Hal ini digunakan untuk mengetahui
bahwa material tersebut tidak melewati batas
tensile yield strenght yang sudah ditetapkan oleh
standar yang ada, dan aman untuk diaplikasikan
dalam pembuatan mesin irit bahan bakar.
Cylinder block terdiri dari dua komponen yaitu
silinder liner yang menggunakan material steel
4340 dan block yang menggunakan material
alumunium 6061.
Tabel 1. Data Material Cylinder block
Sebelum mendapatkan von mises stress ada
tahapan pengerjaan untuk mendapatkan hoop
stress, longitudinal stress, dan radial stress di
inner dan outer surface. Inner surface melalui
persamaan
(
)...(4)
(
)...(5)
σr = - Pi...(6)
Dimana ialah tegangan tangensial, ialah
tegangan aksial, dan ialah tegangan radial.
adalah tekanan internal pada ruang bakar,
adalah jari jari luar silinder, dan adalah jari jari
Kompo-
nen
Materi-
al
Tensile
Yield
Strenght
(MPa)
Safety
factor
Liner Steel
4340 710 1,95
Block Aluminu
m 6061 276 1,95
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
3
dalam silinder. Selanjutnya untuk outer surface
melalui persamaan
...(7)
(
)...(8)
σr = 0..(9)
Dimana ialah tegangan tangensial, ialah
tegangan aksial, dan ialah tegangan radial.
adalah tekanan internal pada ruang bakar,
adalah jari jari luar silinder, dan adalah jari jari
dalam silinder. Selanjutnya perhitungan von mises
stress crankcase didapat melaui persamaan
√
√
...(10)
Dimana ialah von mises stress, ialah
tegangan tangensial, ialah tegangan aksial, dan
ialah tegangan radial. Untuk perhitungan von
mises stress triaxial, ketiga tegangan ini sangat
diperlukan untuk mendapatkan hasil yang akurat
dan bisa dipercaya. Setelah mendapatkan hasil
von mises stress dilakukan koreksi dengan
material sebenarnya untuk memprediksi nilai
kegagalan yang terjadi, apakah komponen steel
4340 dan alumunium 6061 aman untuk digunakan
dalam pembuatan mesin irit bahan bakar. Dengan
ini bisa didapatkan nilai prediksi kegagalan dari
von mises stress dengan melalui persamaan
...(11)
Dimana adalah von mises stress, adalah
tensile yield strenght dari material, dan adalah
nilai safety factor yang di tentukan.
2.2 Ketebalan dan Kekuatan Crankcase
Dengan diketahui gaya (F) yang terjadi pada
crankshaft dengan nilai besarnya gaya (F) 4631,4
N, maka bisa didapatkan ketebalan minimum
pada crankcase terutama pada rumah bearing
yang menjadi tumpuan crankshaft pada saat
mesin bekerja. Ketebalan minimum ini dapat
diperoleh mealui persamaan
...(12)
Dengan tm adalah ketebalan cylinder block
(mm), adalah tekanan internal dan adalah
tensile yield strenght material, ns adalah nilai
safety factor.
Gambar 3. CAD dan foto crankcase
Setelah perhitungan analitik untuk
menentukan tebal minimum crankcase pada
rumah bearing didapat, selanjutnya perhitungan
untuk menentukan kekuatan material dari
crankcase dilakukan dengan perhitungan anlitik
dan simulasi pada software ANSYS.14. Hal ini
dilakukan untuk memastikan bahwa material yang
digunakan untuk crankcase tidak melebihi dari
kekuatan material dan aman untuk diaplikasikan
dalam pembuatan mesin irit bahan bakar.
Crankcase terdiri dari dua komponen yaitu
silinder liner yang menggunakan material steel
4340 dan block yang menggunakan material
alumunium 6061.
Tabel 2. Data Material Crankcase
Sebelum mendapatkan von mises, ada
beberapa tahapan dalam pengerjaan yang dimana
harus mendapatkan gaya (F) perbagian melalui
persamaan
...(13)
Komponen Material
Tensile
Yield
Strenght
(MPa)
Safety
factor
Liner Steel 4340 710 3,06
Block Aluminum
6061 276 3,06
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
4
Dimana ialah gaya perbagian dari rumah
bearing crankcase, F adalah gaya internal yang
ada di crankshaft dan A adalah keliling dari
lingkaran. Selanjutnya mencari tegangan
perbagian atau persudut dai 00 sampai 1800
melalui persamaan
σ ...(14)
σ ...(15)
Dimana F adalah gaya internal yang ada di
crankshaft, adalah sudut perbagian dari
tensile stress dan adalah shear stress,
selanjutnya maksimum dan minimum principle
stress didapat melalui persamaan
√
...(16)
√
...(17)
Dimana adalah maksimum principle
stress adalah minimum principle stress,
dan adalah tensile stress, τ1 dan τ2 adalah shear
stress.
Perhitungan von mises stress crankcase didapat
melalui persamaan
√
...(18)
Dimana ialah von mises stress, ialah
tegangan tangensial, ialah tegangan aksial, dan
ialah tegangan radial. Untuk perhitungan von
mises stress triaxial, ketiga tegangan ini sangat
diperlukan untuk mendapatkan hasil yang akurat
dan bisa dipercaya. Selanjutnya menentukan
prediksi kegagalan pada von mises stress silinder
liner
...(19)
Dimana adalah von mises stress, adalah
tensile yield strengt dari material, dan adalah
nilai safety factor yang di tentukan.
3. Hasil dan Analisa
Setelah mengetahui bebrapa persamaan yang
digunakan untuk mendapatkan dimensi dan
kekuatan von mises stress maka diperoleh hasil
berikut
3.1 Blok Cylinder
Ketebalan minimum cylinder block (t) dibagi
menjadi 2 komponen, yaitu silinder liner dan
block diperoleh dengan menggunakan persamaan
(1) yaitu besarnya bernilai 0,4 mm untuk silinder
liner dengan material steel 4340 dan 1,2 mm
untuk block dengan material alumunium 6061.
Dengan ketebalan silinder liner 0,4 mm dan block
1,2 mm dapat menahan tekanan sebesar 8,72
MPa, tanpa memasukan faktor gesekan dan panas
dalam ruang bakar. Maka ketebalan yang di
desain untuk silinder liner adalah 3mm dan block
adalah 4mm, Selanjutnya dengan ketebalan
silinder liner 3 mm untuk perhitungan analitik
didapatkan hasil von mises stress maksimum
55,47 MPa dan minimum 40,90 MPa. Simulasi
melalui software ANSYS.14 didapatkan von
mises stress maksimum 61,41 MPa dan minimum
30,31 MPa. Serta nilai prediksi kegagalan silinder
liner yang diselesaikan dari persamaan (11) yang
bernilai 55,47 MPa ≥ 232,02 MPa dengan
material steel 4340 yang digunakan untuk
pembuatan komponen silinder liner bisa
dikatakan aman. Berikut hasil berupa grafik dan
simulasi serta perbandingan antara perhitungan
analitik dan simulasi melalui software
ANSYS.14.
Gambar 4. Von mises stress analitik
Gambar 5. Von mises stress ANSYS.14
55,47 40,9
0
10
20
30
40
50
60
max min
Vo
n M
ises
str
ess
( M
Pa
)
Variasi ( MPa )
Tegangan liner
analitik
61,41
30,31
010203040506070
max min
Vo
n M
ises
Str
ess
( M
Pa )
Variasi ( MPa )
Tegangan liner
ANSYS
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
5
Gambar 6. Perhitungan analitik vs ANSYS.14
Gambar 7. Hasil simulasi ANSYS.14
Dengan ketebalan minimum blok 1,2 mm yang
diselesaikan dari persamaan (10) dapat menahan
tekanan sebesar 8,72 MPa, tanpa memasukan faktor
panas dalam ruang bakar. Maka ketebalan yang
didesain untuk block adalah 4mm, Selanjutnya
dengan ketebalan block 4mm untuk perhitungan
analitik yang diselesaikan dari persamaan (10)
didapatkan hasil von mises stress maksimum 50,16
MPa dan minimum 35,39 MPa. Simulasi melalui
software ANSYS.14 didapatkan von mises stress
maksimum 57,34 MPa dan minimum 30,56 MPa.
Serta nilai prediksi kegagalan block yang
diselesaikan dari persamaan (11) yang bernilai
dengan material
aluminum 6061 yang digunakan untuk pembuatan
komponen block bisa dikatakan aman. Berikut hasil
data berupa grafik dan simulasi serta perbandingan
antara perhitungan analitik dan simulasi melalui
software ANSYS.14.
Gambar 7. Von mises stress analitik
Gambar 8. Von mises stress ANSYS.14
Gambar 9. Perhitungan analitik vs ANSYS.14
55,47 40,9
61,41
30,31
0
10
20
30
40
50
60
70
max min
Vo
n M
ises
Str
ess(
MP
a )
Variasi ( MPa )
Variasi Tegangan liner
analitik
ANSYS
50,16
35,39
0
10
20
30
40
50
60
max min Vo
n M
ises
str
ess
( M
Pa
)
Variasi ( MPa )
Tegangan block
analitik
57,34
30,56
0
20
40
60
80
max min Vo
n M
ises
str
ess
( M
Pa
)
Variasi ( MPa )
Tegangan block
ANSYS
50,16 35,39
57,34
30,56
0
10
20
30
40
50
60
70
max min
Von
Mis
es s
tres
s (
MP
a )
Variasi ( MPa )
Variasi Tegangan block
analitik
ANSYS
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
6
Gambar 10. Hasil simulasi ANSYS.14
Dimana kedua komponen di atas sudah
mempunyai von mises stress masing-masing
yang nantinya kedua komponen tersebut akan
digabung menjadi satu bagian komponen pada
mesin irit bahan bakar. Dan ketika komponen ini
menjadi satu maka didapatkan nilai von mises
untuk perhitungan analitik dan simulasi pada
software ANSYS.14, yang dimana besarnya nilai
pada perhitungan analitik untuk nilai maksimum
62,26 MPa dan minimum 29,28 MPa. Dalam
simulasi software ANSYS.14 didapatkan nilai
maksimum 65,95 MPa dan minimum 1,74 MPa.
Gambar 13. Perhitungan analitik vs ANSYS.14
Gambar 10. Hasil simulasi ANSYS.14
3.2 Crankcase
Ketebalan minimum crankcase (t) dibagi
menjadi 2 komponen, yaitu liner bearing dan
crankcase diperoleh dengan menggunakan
persamaan (12) yaitu besarnya bernilai 0,19 mm
untuk liner bearing dengan material steel 4340
dan 0,92 mm untuk crankcase bearing dengan
material alumunium 6061. Dengan ketebalan
rumah bearing 0,33 mm dan crankcase 0,92 mm
dapat menahan gaya (F) sebesar 4361,4 N, tanpa
memasukan faktor gesekan dan gaya rotasi pada
bearing. Maka ketebalan yang didesain untuk
liner bearing adalah 2 mm dan crankcase adalah
5mm, Selanjutnya dengan ketebalan rumah
bearing 2 mm dan crankcase bearing 5 mm untuk
perhitungan analitik didapatkan hasil von mises
stress maksimum 46,24 MPa dan minimum
23,12 MPa. Pada simulasi software ANSYS.14
didapatkan hasil von mises stress maksimum
61,36 MPa dan minimum 30,26 MPa. Berikut
hasil data berupa grafik dan simulasi serta
perbandingan antara perhitungan analitik dan
simulasi ANSYS.14
Gambar 11. Von mises stress ANSYS.14
62,26
29,28
65,95
1,74 010203040506070
max min Von
Mis
es S
tres
s (
MP
a )
Variasi ( MPa )
Variasi Tegangan Block Cylinder
analitik
ANSYS
61,36
30,26 0
20
40
60
80
max minVon
Mis
es S
tres
s (
MP
a )
Variasi ( MPa )
Tegangan Crankcase
ANSYS.
14
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
7
Gambar 12. Von mises stress perhitungan analitik
Gambar 13. Perhitungan Analitik vs ANSYS.14
Gambar 14. Simulasi ANSYS.14
4. Kesimpulan
Diperoleh hasil dimensi ketebalan minimum
setiap komponen dari cylinder block dan
crankcase untuk perhitungan analitik yang
diselesaikan dari persamaan (1) dan (11), dengan
besarnya nilai sebagai berikut:
Ketebalan cylinder liner = 0,4 mm
Ketebalan block = 1,2 mm
Ketebalan rumah bearing steel = 0,19 mm
Ketebalan crankcase bearing = 0,92 mm
serta didapatkan von mises stress dari
perhitungan analitik yang diselesaikan dari
persamaan (10), dan (17) juga didapatkan von
mises stress pada simulasi software ANSYS.14
yang masing-masing komponen mempunyai
besarnya nilai sebagai berikut:
Perhitungan analitik untuk nilai maksimum
dan minimum
Cylinder liner = 55,47 MPa - 40,90 MPa
Block = 50,16 Mpa - 35,39 MPa
Cylinder Block = 62,26 MPa - 29,28
MPa
Crankcase = 46,24 MPa - 23,12 Mpa
Simulasi pada software ANSYS.14 untuk nilai
maksimum dan minimum
Cylinder liner = 61,41 Mpa - 30,31 MPa
Block = 57,40 MPa - 30,36 MPa
Cylinder Block = 65,95 MPa - 1,74 MPa
Crankcase = 64,71 MPa - 13,52 MPa
Dimana pada perhitungan analitik dan
simulasi di software ANSYS.14 memiliki
perbedaan pada nilai maksimum dan minimum.
Ini dikarenakan pada perhitungan analitik hanya
memakai persamaan yang memang sudah
disederhanakan agar mudah mengolah data dalam
mendapatkan hasil angka yang diinginkan.
Namun dalam software ANSYS.14 memiliki
nilai maksimum dan minimum yang memang
sangat akurat, dimana nilai maksimumnya
melebihi nilai maksimum pada perhitungan
analitik dan nilai minimumnya juga melebihi
nilai minimum pada perhitungan analitik.
Selanjutnya untuk menentukan kekuatan
material digunakan von mises stress, karena von
mises stress lebih sangat menjamin nilai
maksimum yang tinggi dan nilai minimum yang
lebih rendah untuk kategori material yang ductile.
Dan dalam hal ini von mises stress lebih bisa
sangat dipercaya untuk menjamin nilai keamanan
dari material.
Jadi, semua material yang dipergunakan untuk
pembuatan mesin irit bahan bakar, dari material
steel 4340 dan alumunium 6061 dikatakan aman
untuk besarnya tekanan (P), gaya (F), dan
46,24
23,12
0
10
20
30
40
50
max minVo
n M
ises
Str
ess
( M
Pa
)
Variasi ( MPa )
Tegangan Crankcase
analitik
46,24
23,12
64,71
13,52 0
10
20
30
40
50
60
70
max min
Vo
n M
ises
Str
ess(
MP
a )
Variasi ( MPa )
Variasi Tegangan Crankcase
Perhitungan
AnalitikANSYS.14
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
8
tegangan (σ) yang sudah diketahui dan yang
sudah dicari dengan persamaan melalui
persamaan - persamaan di atas.
5. Referensi
Petrovsky, M. (1973). Marine Internal
Combustion Engine. Moscow: MIR Publisher.
R. S. Khurmi dan J. K. Gupta. (2005). A Text
Book of Machine Design. India: Eurasia
Publishing House.
Hamrock, Bernard J (1999). Fundamentals of
Machine Elements. United Stated: McGraw-Hill
companies.
Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013