1
ANALISIS KARAKTERISTIK DRIVE SHAFT AUTOMOBIL BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA FAUZAN Jurusan Teknik Mesin Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan KM 10 Makassar
ABSTRACT Tulisan ini bertujuan untuk membandingkan driveshaft konvensional berbahan baja dua batang dan berbahan komposit dengan satu batang. Penentuan karakteristik statik dan dinamis dari bahan komposit yakni hibryd aluminium fiber glass dengan menggunakan metode elemen hingga berbasis program ANSYS. Parameter perancangan mempertimbangkan pengurangan berat dan perningkatan kinerja dari drive shaft dengan menghitung Kata kunci: drive shaft, komposit, ANSYS, metode elemen hingga PENDAHULUAN Konstruksi mesin modern dari teknologi terbaru dalam desain dan manufaktur menggunakan material terbaru yang memiliki kekuatan spesifik dan kekerasan lebih dari material tradisional. Material komposit sesuai dengan kriteria ini dengan kemampuan impak, ketahanan terhadap fatik dan getaran. Material komposit juga dapat mempertimbangkan sifat yang diinginkan, dengan menyeleksi komponen mempunyai karakteristik lebih baik dari material sebelumnya. Dengan menghasilkan karakteristik yang lebih baik sekarang ini, pemakaian material komposit bertambah dalam pembuatan poros transmisi. Parameter utama dalam pemilihan poros berotasi untuk transmisi daya seperti drive shaft dari mesin, automotive propeller shafts berupa transmisi beban statis dan dinamis, frekuensi natural, kemampuan bending untuk getaran pada poros putaran tinggi. Komposit poros hybrid dari fiber glass dapat mentransmisikan torsi lebih, keuntungan lainnya mengurangi berat, berkurangnya noise dan getaran dan juga dapat mengurangi biaya material Material komposit juga meningkatkan fleksibilitas (sudut dari rotasi
poros per beban muatan) juga mengurangi beban impak sehingga meningkatkan efektivitas cycle life dari komponen drive shaft. Reis dan Goldman (1987) menerapkan metode elemen hingga (MEH) untuk menganalisis kecepatan kritis thin walled laminate composite shafts dan ketahanan dari poros komposit dengan beban dinamis. Lim and Darlow (1986) mempresentasikan kalkulasi optimum dari komposi drive shaft dengan beberapa diameter komposit laminate. Lam and Loy (1994) menganalisis getaran dari laminate thin walled shafts menggunakan teori pendekatan dari teori shell. Singh dan Gupta (1996) meneliti karakteristik getaran komposit poros silinder menggunakan teori Timoshenko's beam. Dan pada tahun 2001, Song menerapkan model batang untuk menganalisis frekuensi pribadi dan stability dari komposit poros, model ini dianggap sebagai teori dasar pengembangan teori analisis kedepannya. Penelitian ini untuk melengkapi penelitian sebelumnya bertujuan menganalisis karakteristik statik dan dinamis drive shaft berbahan komposit hybrid aluminium fiber glass.
2
Poros Penggerak (Drive Shaft) Drive shaft merupakan poros untuk mentransmisikan daya dari mesin ke bagian lainnya sesuai yang diinginkan. Khusus untuk mobil, torsi yang dihasilkan dari mesin dan ditrasmisikan ke roda belakang untuk mendorong mobil maju dan mundur. Poros penggerak harus halus (smooth) dan mengalirkan daya ke differensial gear box.
Getaran yang timbul selama drive shaft beroperasi dapat berupa getaran tranversal atau torsional. Getaran tranversal diakibatkan kondisi ketidakseimbangan (unbalance) pada poros, hal ini diakibatkan material asing pada poros dan menyebakan getaran pada mobil. Sedangkan getaran torsional akibat dari peningkatan daya dari mesin atau dari universal joint. Getaran ini menimbulkan gangguan suara akibat dari mechanical shaking. Kedua jenis getaran ini dapat merusak universal joint dan bantalan. Dengan bertambahnya kecepatan maka defleksi pada poros meningkat dengan gaya centrifugal meningkat pula. Jumlah total torsi adalah ditransmisikan dari drive shaft aluminum dan Ttco lapisan
torsi yang Ttal tabung komposit : (1)
Gambar. 1. (a) Poros baja dua batang (b) Poros komposit hybrid aluminium satu batang Perbedaan antara konvensional (baja) dan komposit pada drive shaft adalah komposit mempunyai kekuatan dan modulus spesifik lebih tinggi dari konvensional, berat lebih berkurang dengan menggunakan komposit, dengan berkurangnya berat maka komsumsi bahan bakar dapat dikurangi, jumlah poros penggerak pada mobil dapat dikurangi apabila dengan konvensional terdiri atas dua batang sedangkan komposit dapat satu batang saja, mempunyai daya tahan terhadap korosi dari material komposit, dengan material komposit maka besar kapasitas torsi bertambah dibandingkan konvensional dengan life fatigue dan kemampuan mentansmisikan tenaga yang lebih besar pula.
Dan torsi yang ditransmisikan aluminium tube dapat dituliskan :
(2) Dimana G adalah modulus geser dan J adalah momen inersia polar “al” dan “co” mewakili aluminum tube dan lapisan komposit, Frekuensi pribadi dari drive shaft dapat dihitung dengan kondisi batas pada ujungnya, berupa
(3) Dimana : E iadalah modulus elastisitas dengan arah aksial dari drive shaft, I adalah moment inertia, ρ adalah massa per unit panjang, L panjang dari poros penggerak.
3
METODOLOGI PENELITIAN Spesimen dan Alat Uji Torsi Dalam proses pembuatan spesimen dari hybrid aluminium/komposit drive shaft menggunakan metode filament winding dengan sudut 45̊ dengan jumlah lapisan sebanyak 2, 4 dan 6 lapisan. Tabung aluminium (AA6063) mempunyai diameter luar 12,7 mm dengan ketebalan 1,5 mm.
Pada penelitian ini analisis elemen hingga menggunakan software ANSYS untuk menentukan karakteristik dari dinamik berupa frekuensi natural dan modus getaran. Model dari shell berlapis terdiri atas beberapa lapisan, yang mana elemen mempunyai enam derajat kebebasan berupa translasi dari titik nodal x, y dan z dengan arah dan rotasi pada sumbu x, y dan z.
Gambar 2. Dimensi spesimen hybrid aluminium fiber glass Tabel 1. Sifat mekanik dari tabung aluminium Elongasi (%) Ultimate Shear tensile Strenght (MPA) strenght (MPA) 131
69
20
Alat uji torsi untuk menentukan karakteristik statik dirancang dan dirakit sesuai mekanisme dibawah dan diinstal sama dengan mesin universal tensile dimana prinsip kerjanya adalah pada saat mesin bergerak maka gaya longitudinal di tansfer dari rantai ke specimen dan menimbulkan momen torsi pada specimen.
Gambar 3. Alat Uji Torsi Statik
Metode Elemen Hingga
Gambar. 4.Struktur shell berlapis Poros dijepit pada salah satu ujungnya dan dipuntir pada ujung lainnya dengan arah axial, radial dan tangensial. Analisis dari poros komposit untuk stacking maksimun berdasarkan pada GA (Genetic algorithm). Untuk karakteristik dinamis, metode elemen hingga bertujuan untuk menganalisis menentukan frekuensi pribadi pada arah lateral sedangkan modus getaran pada semua kombinasi material untuk menentukan kecepatan kritis dari poros.
4 HASIL PENELITIAN Pada gambar 5 memperlihatkan hasil uji torsi pada spesimen tabung komposit hybrid alumunium.
Gambar 5. Model kegagalan dari komposit hybrid aluminium Tabel. 2 Torsi maksimun pada setiap layer Jumlah layer 2 4 6
Torsi maksimun (N/m) 50 130 170
Hasil perhitungan secara numerik diperoleh sesuai pada gambar 6 dan 7. Dapat disimpulkan dengan berkurangnya ketebalan dari tabung aluminium maka akan menambah frekuensi pribadi dari poros.
Sesuai yang diketahui bahwa pada bidang (2 dimensi), sudut 45o merupakan sudut dengan tegangan geser maksimun, dengan menggunakan sudut ini sesuai tabel 2. diperoleh hasil torsi statik maksimum akan meningkat dengan bertambahnya jumlah lapisan (layer). Hasil uji torsi diperoleh torsi maksimun 170 N/m pada tabung aluminium dengan jumlah lapisan 6 buah.
Gambar
6.
Frekuensi komposit
pribadi
dari
Gambar 7. Modus pertama dari buckling pada poros komposit hybrid aluminium.
Putaran kritis (rpm) Buckling kritis (Nm)
9996 18631
KESIMPULAN Dari data hasil penelitian ini, karakteristaik statik berupa torsi statik dan dinamis yaitu kecepatan kritis, frekuensi probadi dan buckling torsi kritis dari poros hybrid aluminium fiber glass dapat sebagai alternatif pada drive shaft mobil menggantikan drive shaft berbahan material baja.
poros
Daftar Pustaka
5
1. Andrew pollard, 1989, PMCs in Driveline Applications, GKN Tech., UK. 2. Beardmore P, and Johnson C.F, 1986 The Potential for Composites in Structural Automotive Applications, Journal of Composites Science and Technology, 26, 251-281. 3. Callister, W. D. (2003). Materials science and engineering. An introduction. New Jersey: John Wiley and sons, inc. 4. Constantine C. Spyrakos, 1994, Finite Element Modeling, WVU press, West Virginia. 5. Cole, G. S., & Sherman, A. M. (1995). Lightweight materials for automotive applications. Materials characterisation, 6. Corum, J. M., Battiste, R. L., Ruggles, M. B., & Ren, W. 2001. Durability-based design criteria for a chopped-glass-fibre automotive structural composite. Composites science and technology, 7. Cook. R, 1993, Concepts and Application of Finite Element Analysis, John Wiley & Son, New York. 8. Cramer, D. R., Taggart, D. F., & Inc, H. 2002. Design and manufacture of an affordable advanced-composite automotive body structure. Paper presented at the Proceedings from The 19th international battery, hybrid and fuel cell electric vehicle symposium and exhibition. 9. Dordevic Z, Maksimovic S and Illic I, 2008 Dynamic Analysis of Hibrid Aluminium/Composit Shaft, Jounal of Scientific Technical Review Vol. VIII no. 2, 2008 10. Feraboli, P., & Masini, A. 2004. Development of carbon/epoxy structural components for a high performance vehicle. Composites, Part B, 35, 323-330.
11. Fluiter, Travis de, 2008, Design of Lightweight Electric Vehicles, Master’s Thesis ofThe University of Waikato 12. Goldberg DE. 1989 Genetic Algorithms in Search, Opt. and M/c Learning, Reading, MA, 13. Happian-Smith, J. 2001. An introduction to modern vehicle design. Oxford: Butterworth Heinemann. 14. Jones, R.M., 1990 Mechanics of Composite Materials, 2e, McgrawHill Book Company. 15. Masini, A., Taraborrelli, L., Pivetti, A., & Feraboli, P. 2004. Development of carbon/epoxy structural components for a topless high performance vehicle. 16. Montagnier and Hodcard, Optimization of Supercritical Carbon/Epoxy Drive Shaft Using A Genetic Algoritm 17. Mutasher S.A., Sahari B. B. and Hamouda A. M. S., Sapuan S.M. 2005 Static Torsion Capacity of a Hybrid Aluminum Glass Fiber Composite Hollow Shaft, American Journal of Applied Sciences 18. Rangaswamy S, Vijayarangan RA, 2002, Optimal Design and Analysis of Automotive Composite Drive Shaft, International Symposium of Research Student on Material Science and Engineering 19. Robert D. Cook., 1995, Finite Element Modeling for Stress Analysis, John Wiley & Son, New York. 20. Rajeev, s and Krishnamoorthy, C.S, Discrete Optimization of Structure Using Genetic Algorithms, J Structural Engg., 118(1992), 12331250
