STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH BERAT RODA PADA PROSENTASE UNJUK KERJA BALANCING RODA MOBIL Harie Satiyadi Jaya *, Suhardjono ** Laboratorium Mesin Perkakas, Jurusan Teknik Mesin FTI – ITS, Surabaya. E-mail:
[email protected]
Abstrak Ketidakseimbangan pada roda kendaraan terjadi bila pusat massa tidak sesumbu dengan sumbu putarnya. Agar roda kendaraan dapat berputar seimbang, maka gaya sentrifugal yang timbul harus dikompensasi dengan gaya tambahan yang sama tapi arahnya berlawanan.Proses penyeimbangan ini dinamakan proses balancing. Sumber massa unbalance yang terjadi pada roda kendaraan disebabkan oleh beberapa faktor diantaranya ketidaksempurnaan proses manufaktur velg dan ban serta keausan yang tidak merata pada ban akibat kondisi kekasaran jalan raya yang berbeda. Metoda balancing yang umum dipergunakan diantaranya adalah metoda sudut fasa, metoda four run dan modal balancing. Tahap proses balancing dengan menggunakan metode sudut fasa yang umum dipergunakan saat ini adalah dengan memutar roda pada satu putaran tertentu untuk mendapatkan prosentase penurunan amplitudo getaran (balance performance) yang paling tinggi. Kelemahan dari proses ini adalah belum dapat secara tepat mengidentifikasi dimana posisi paling tepat resultan massa unbalance dan pada putaran berapa roda seharusnya dibalancing, apakah dibawah frekuensi pribadi, pada frekuensi pribadi atau diatas frekuensi pribadi. Pada penelitian ini dikembangkan prototipe mesin balancing untuk mendapatkan balance performance yang paling tinggi dalam proses balancing roda mobil dengan menggunakan metode sudut fasa. Perbedaan mendasar adalah mencari terlebih dahulu posisi sudut optimal massa pembalance dengan memvariasikan putaran dibawah hingga diatas frekuensi pribadinya sampai diperoleh balance performance yang paling tinggi untuk setiap roda. Langkah selanjutnya adalah menghitung prosentase penurunan amplitudo getaran (balance performance) pada tiap tahap putaran. Kemudian sudut optimal tersebut dipergunakan untuk menempatkan massa pembalance yang beratnya dinaikkan sampai didapatkan kondisi overbalance. Roda yang dipergunakan pada penelitian ini terdiri dari beberapa variasi diameter velg yaitu ring 12”, ring 13” , ring 14” dan ring 15”. Hasil yang didapatkan dari penelitian ini adalah prosentase penurunan amplitudo getaran atau unjuk kerja balancing dari keadaan unbalance ke keadaan balance yaitu 87,9% untuk velg ring 12” dengan berat 10,75 kg pada putaran 450 rpm;85,3% untuk velg ring 13”dengan berat 11,75 kg pada putaran 450 rpm; 66,7% untuk velg ring 14” dengan berat 17,7 kg pada putaran 385 rpm dan 80,4% untuk velg ring 15” dengan berat 16,05 kg pada putaran 450 rpm. Kata kunci : balance performance, massa unbalance, balancing roda mobil, metoda sudut fasa
*) Dosen Universitas Palangkaraya ( Mahasiswa S2 Teknik Mesin ITS ) Surabaya **) Guru Besar di jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh November (ITS) Surabaya
1. PENDAHULUAN Ketidakseimbangan dinamik (dynamic unbalance) pada mesin yang berputar menjadi masalah yang besar, karena sebagai sumber eksitasi getaran, gaya eksitasi tersebut naik secara kuadratis terhadap putaran dan linier terhadap eksentrisitas (Suhardjono, 2004). Demikian pula ketidakseimbangan yang terjadi pada roda kendaraan jika melebihi batas standart yang diijinkan berakibat ketidaknyamanan dalam berkendaraan dan mengurangi umur pakai komponen yang langsung berkaitan dengan roda tersebut. Selain daripada itu kendaraan sulit dikendalikan sehingga sangat beresiko terhadap keamanan berkendara. Pada penelitian ini dikembangkan rancangan mesin balancing roda untuk mendapatkan balance performance yang paling tinggi dengan menggunakan metode sudut fasa. Proses balancing dimulai dari putaran di bawah, disekitar dan di atas frekuensi pribadi masingmasing roda. 2. DASAR TEORI Persamaan differensial gerak sistem ditulis sebagai berikut : m·
+r·
+ k · y = Fu· sin Ω t
(1)
Dengan asumsi gaya unbalance dan respon getaran harmonik, maka Fu = u Ω (2) 2 Dimana u = mu· u · Ω dan
Gambar 1. Model getaran
ŷ Ω Ω ŷ Ω ŷ
Ω
(3)
Ω
Substitusi persamaan (2) dan (3) ke persamaan (1) di dapatkan hasil Ω
Ω
Ω
ŷ
Ω
(4)
Kedua ruas kiri dan kanan di bagi dengan m, di peroleh :
Ω
ŷ
Ω
2
Ω
Ω
Ω
ŷ
Bagi kedua ruas dengan 1
Ω
Bila η =
Ω
2 Ω
(5)
dan
Dengan mengganti Ω
Ω
2
maka persamaan menjadi
Ω
(6)
maka hasilnya adalah : ŷ
Ω
Ω
Ω
(7)
merupakan rasio frekuensi angular terhadap frekuensi pribadi maka persamaan
(7) menjadi :
1
2
Ω
ŷ
Ω
Fungsi penguatan amplitudo kompleks adalah : =
H( iη ) =
2 2
1
2
(8)
2
persamaan dikalikan dengan kompleks konjugate dari penyebutnya, dihasilkan harga real: Re
=
(9)
Dan harga imaginer : Im
=
(10)
Harga absolut fungsi penguatan amplitudo adalah : |
|
Re
Im
=
(11)
Beda fasa antara respon getar dengan gaya ekstasi ditulis sebagai berikut : φ = arc tan
= arc tan
η η
(12)
Gambar 2. Grafik Fungsi Penguatan Amplitudo dan beda fase
3. PELAKSANAAN EKSPERIMEN
Gambar 3. Skema Peralatan Percobaan
Prinsip Kerja Peralatan : Gerak putar roda (rotational motion) dihasilkan dari motor listrik 2HP ; 3 phase; 1420 rpm dengan pengatur kecepatan dari 0 sampai 1000 rpm menggunakan inverter VSF-11; 3 phase ; 220 volt. Getaran yang terjadi saat roda berputar yang diakibatkan oleh massa unbalance dibatasi untuk satu arah saja yaitu arah horisontal dengan suatu mekanisme pendulum yang ditahan dua buah pegas pada posisi berseberangan. Sebuah accelerometer yang merupakan alat untuk mengukur besarnya respon getaran yang terjadi, ditempatkan pada sisi pendulum tepat diatas pegas. Selanjutnya sinyal dari accelerometer 4321 bruel&kjaer
diperkuat dengan amplifier 2635 dan picoscope ADC 200/50 MSPS merubah sinyal analog menjadi digital sehingga pada layar komputer terbaca berupa kurva sinusoidal. Sensor photoelectric mendeteksi tanda reflektif pada sebuah busur lingkaran yang dipasang diantara roda dan pendulum untuk mentrigger dan mengukur posisi sudut roda. Sinyal dari photoelectric pada layar komputer terbaca berupa garis lurus, yang dipergunakan sebagai garis referensi pada proses balancing dengan menggunakan metoda sudut fasa. Metodologi Penelitian
Tahap metoda sudut fasa yang dipergunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut 1). Set up alat pengujian 2).Ukur nilai frekuensi pribadi roda 3).Roda diputar dengan putaran tertentu, dicatat amplitudo unbalancenya (A0), beda waktu antara sinyal optik dan puncak gelombang sinyal getaran (t), perioda (T) sehingga didapatkan beda fasanya (α0 = t/Tx3600 )
4).Menghitung sudut pembalance (αb = α0+1800) pada masing-masing putaran 5). Memasang masa penyeimbang awal pada masing-masing sudut pembalance sesuai dengan putaran dan roda diputar pada rpm sesuai sudut masa pembalancenya 6). Mencatat nilai amplitudo setelah dipasang masa penyeimbang awal (A1) dan beda fasa (α1) 7). Menghitung balance performance masing-masing putaran. 8). Memilih nilai prosentase balance performance yang paling tinggi. Dan lakukan proses pembalance bertahap sampai didapatkan kondisi overbalance. 4. DATA DAN ANALISIS Benda kerja adalah sebuah roda kendaraan dengan spesifikasi : velg 12x3,4/ Hole 4x100, ban 155/80 R12 77S, bobot total 10,75 kg dan frekuensi pribadi 496 rpm ( 8,27 Hz ). Percobaan dilakukan pada putaran 400 sampai dengan 600 rpm dan didapatkan amplitudo unbalance (A0), beda waktu antara sinyal optik dan puncak gelombang sinyal getaran (t), perioda (T) sehingga didapatkan beda fasanya (α0). Selanjutnya di beri masa penyeimbang seberat 20 gram pada masing-masing putaran. Contoh masa penyeimbang seberat 20 gram ditempatkan pada sudut 2100 dan diputar pada putaran 400 rpm. Dan hasil percobaan dapat dilihat pada tabel 1 berikut ini. Tabel 1. Balance Performance velg R12
Gambar 4. Grafik Fungsi Penguatan Amplitudo dan Beda Fasa respon getar dengan gaya eksitasi velg R12
Pada gambar 4 diatas garis kurva warna biru menunjukkan kurva penguatan amplitudo yang dihasilkan dari perhitungan secara teoritis, dengan penurunan persamaan single degree of freedom (SDOF) pada dasar teori diatas dan dibandingkan dengan amplitudo hasil percobaan pada roda velg R12 pada tabel 1 diatas yang ditunjukkan dengan garis kurva berwarna merah. Bila ditampilkan secara grafik perbandingan antara putaran dan balance performance dari hasil percobaan pada tabel 1 didapatkan grafik sebagai berikut:
Gambar 5. Grafik putaran dan balance performance
Dari gambar 5 diatas bahwa balance performance yang paling tinggi dihasilkan pada putaran 450 rpm yaitu sebesar 50%, dan selanjutnya proses balancing akan dilakukan pada putaran ini dengan menaikkan berat masa penyeimbang secara bertahap sampai didapatkan kondisi overbalance. Tabel 2. Perlakuan balancing roda R12
Pada tabel 2 menunjukkan hasil proses balancing dengan penambahan masa penyeimbang secara bertahap, di coba pada 3 putaran dan sudut penyeimbang yang berbeda. Dan dari hasil percobaan tersebut menunjukkan bahwa pada putaran dengan balance performance paling tinggi yaitu 450 rpm yang menghasilkan prosentase balance performance tertinggi yaitu 86,7%, dengan perhitungan sebagai berikut : BP =
x100% =
x100% = 87,9 %
Pada gambar 6 berikut adalah grafik domain waktu roda velg R12 kondisi unbalance dan
kondisi balance performance paling tinggi yaitu sebesar 87,9%.
Gambar 6. Grafik domain waktu kondisi unbalance dan kondisi masa pembalance 65 gram
Gambar 7. Grafik Domain waktu kondisi unbalance Velg R12 pada 450 rpm dan posisi masa unbalancenya pada roda
Dari grafik getaran diatas dapat diketahui bahwa posisi massa unbalance yang terdapat pada roda berada pada 390 setelah 00 pada pada photoelectric. Demikian pula untuk roda R13 dengan frekuensi pribadi 480 rpm (8 Hz), R14 dengan frekuensi pribadi 400 rpm (6,67 Hz) dan R15 dengan frekuensi pribadi 470 rpm (7,83 Hz) dilakukan dengan langkah-langkah proses balancing sama seperti yang dilakukan pada roda velg R12 akan dihasilkan tabel seperti yang ditunjukkan pada tabel 3, 4 dan 5 dibawah ini. Tabel 3. Perlakuan balancing roda R13
Tabel 3. Perlakuan balancing roda R14
Tabel 3. Perlakuan balancing roda R15
Dari percobaan proses balancing terhadap berbagai variasi roda diatas apabila ditabelkan berdasarkan berat roda dan hubungannya dengan balance performance, maka akan dihasilkan grafik hubungan berat roda dan balance performance sebagai berikut :
Gambar 8. Grafik Hubungan Berat roda dan BP
Pada gambar 8 hubungan berat roda dengan balance performance terjadi sesuai dengan ⁄ dimana bila masa (m) semakin besar dan konstanta pegas (k) yang persamaan ω = dipergunakan sama, maka frekuensi (ω) yang terjadi pada roda semakin kecil. 5. KESIMPULAN Dari hasil diskusi diatas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari hasil eksperimen yang dilakukan terlihat kecenderungan bahwa semakin berat roda kendaraan maka prosentase balance performance pada proses balancing akan semakin kecil. 2. Pemberian massa pembalance yang terlalu besar dari masa unbalance akan mengakibatkan efek overbalance atau pembalikan modus getar. 3. Proses balancing yang dilakukan pada velg R12 dengan berat 10,75 kg menghasilkan balance performance sebesar 87,9% pada putaran 450 rpm. 4. Proses balancing yang dilakukan pada velg R13 dengan berat 11,75 kg menghasilkan balance performance sebesar 85,3% pada putaran 450 rpm. 5. Proses balancing yang dilakukan pada velg R14 dengan berat 17,7 kg menghasilkan balance performance sebesar 66,7% pada putaran 385 rpm 6. Proses balancing yang dilakukan pada velg R15 dengan berat 16,05 kg menghasilkan balance performance sebesar 80,4% pada putaran 450 rpm. DAFTAR PUSTAKA Suhardjono, 2004. “Pengaruh Putaran dan Ekssentrisitas Ketidakseimbangan Massa pada Karakteristik Getaran”. Proceeding Seminar Nasional UGM Session D1: 1-5. Suhardjono, 2005. “Kaji Eksperimental Proses Balancing Dinamik Piringan Tunggal Menggunakan Metode Tiga Massa Coba”. Seminar Nasional Pascasarjana V. Session II: 96-101. Yilmaz, Emin. “Wheel Balancing Machine Design”. Session 3548: 1-11. Troy D., Philip. 2004. Balance This. San Antonio. Texas. Gary K., John W, Bruce J, The Basic Of Balancing, BTI Crowford, Arthur R, dan Crowford S. 1992. The Simplified Handbook Of Vibration Analysis, SCI : Knoxville. Randall. 1987. Frequency Analysis, Bruel and Kjaer : Denmark. R Keith Mobley. 1999. Vibration Fundamentals, Newness: USA. Robert K Vierck. 1967. Vibration Analysis, International Harper and Row : New York. Zaveri K. 1984. Modal Analysis Of Large StructuresMultiple Exiter System, Bruel and Kjaer: Denmark.
