1 ANALISA RODA GIGI SEBAGAI PENGATUR GERAK MAJU MUNDUR UNTUK MOBIL HARAPAN DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS 14.0 Alberd Simamora*) . IR.M.AKHIR,MT Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tiggi Teknik Harapan Medan 2013 *) E-mail :
[email protected] Abstrak Mobil Harapan dibuat sebagai wahana latihan mahasiswa dalam mengembangkan kreatifitas dalam perencanaan yang melibatkan analisa penelitian dan pengembangan dibidang teknik mesin dalam pencapaian SDM yang berkualitas dan profesional.Mobil Harapan di desain dengan konsep klasik yang betujuan untuk mengingatkan kita kembali kepada sejarah terciptanya mobil.Sebagai penggerak mula, Mobil Harapan menggunakan motor bensin empat langkah satu silinder 150 cc dengan daya 16 HP dan putaran mesin 9500 rpm.Mobil Harapan mempunyai panjang 2100 mm, lebar 830 mm, tinggi 1300 mm dengan jarak antara sumbu roda 1200 mm.Penulisan skripsi ini bertujuan untuk merencanakan dimensi poros depan sebagai tempat berputarnya roda depan dan melakukan analisa perhitungan terhadap kekuatan poros, serta melakukan analisa beban statik dengan menggunakan perangkat lunak ansys workbench 14.0. diameter poros yang direncanakan adalah 38 mm, panjang 1180 mm, dengan material baja struktural. Besarnya tegangan geser yang direncanakan ( ), tegangan lentur yang direncanakan ( ), dan defleksi poros yang direncanakan ( ) berturut-turut yaitu 1,67 N/mm2, 202 N/mm2, 0,39 mm. Berdasarkan hasil simulasi besarnya shear stress, equivalent stress, dan total deformation berturut-turut yaitu 1,67 N/mm2, 205,21 N/mm2, 0,37743 mm.Secara umum besarnya teganagan geser maksimum, tegangan lentur maksimum, defleksi maksimum yang terjadi masih di bawah tegangan ijin bahan, sehingga masih aman digunakan. Kata kunci : Poros, Diameter, Tegangan Geser, Tegangan Lentur, Defleksi Abstract Hope the car was made as a training vehicle for students to develop creativity in planning involving analysis of research and development in the field of mechanical engineering in the achievement of quality human resources and profesional.Mobil Hope in a classic design with a concept that aims to remind us back to the history of the creation of prime movers mobil.Sebagai , Hope Car uses a four-stroke gasoline engine cylinder 150 cc with 16 HP power and engine speed 9500 rpm.Mobil Hope in length 2100 mm , width 830 mm , height 1300 mm with a wheelbase distance between 1200 mm.Penulisan this paper aims to plan dimensions of the front axle as the wheels of the front and analyzing the calculation of the power shaft , as well as static load analysis using software ansys workbench 14.0 . planned shaft diameter is 38 mm , length 1180 mm , with structural steel material . The magnitude of the shear stress are planned ( τ ) , bending stress is planned ( σ ) , and the planned shaft deflection ( δ ) respectively are 1.67 N/mm2 , 202 N/mm2 , 0.39 mm . Based on the simulation results of the magnitude of shear stress , equivalent stress and total deformation in a row is 1.67 N/mm2 , 205.21 N/mm2 , 0.37743 common mm.Secara teganagan maximum shear magnitude , the maximum bending stress , maximum deflection occurs is still under the allowable stresses of materials , so it is still safe to use . Keywords : Shaft, Diameter, Voltage Slide, Voltage Bending, Deflection
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
1
2 1. Pendahuluan Latar belakang
terhadap roda gigi tersebut yang disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak Ansys 14.0.
Kenderaan roda empat secara umum mempunyai beberapa kompoen utama, yaitu : chasis, rangka, body, suspensi, penghasil daya (engine), sistem kemudi, rangkaian penerus daya, roda, dan sistem pengereman. Roda gigi merupakan elemen mesin yang berfungsi mentransmisikan daya dan putaran dari suatu poros ke poros yang lain. Sebelumnya penulis bersama teman-teman telah selesai membuat sebuah mobil dengan konsep klasik yaitu era pertama kali mobil dibuat dengan mesin empat tak berbahan bakar bensin seperti yang terlihat pada gambar 1.1.
1.3.
Batasan Masalah Dalam skripsi ini penulis membatasi cakupan bahasan agar tidak terlalu meluas dan lebih terfokus. Dalam hal ini yang menjadi batasan masalah adalah sebagai berikut : 1. Ukuran-ukuran roda gigi diambil dari hasil perancangan. 2. Besar torsi diperoleh dari hasil perancangan poros. 3. Analisys System yang digunakan adalah Static Structural 4. Melakukan analisa pengaruh torsi terhadap tegangan geser (Shear Stress) dan tegangan lentur (Equivalent Stress). 1.4.
Tujuan Penulisan Merujuk kepada hal yang telah dibahas pada bagian rumusan masalah dan batasan masalah sebelumnya, maka tujuan dari penelitian ini adalah memperoleh besarnya tegangan geser (Shear Stress) dan tegangan lentur (Equivalent Stress) akibat momen. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gambar 1.1. Mobil hasil karya mahasiswa Teknik Mesin STTH Mobil tersebut menggunakan mesin sepeda motor dengan lima tingkat kecepatan. Untuk meneruskan daya dan putaran yang dihasilkan oleh mesin ke poros roda belakang digunakan rantai (chain) sebagai penerus putaran dan daya yang langsung terhubung ke poros roda belakang. Akibatnya mobil hanya bisa berjalan maju Kemudian dirancanglah roda gigi yang dilengkapi dengan mekanisme pengatur gerak maju dan gerak mundur. Hal inilah yang melatar belakangi penulis melakukan analisa roda gigi tersebut dengan menggunakan perangkat lunak Ansys 14.0. 1.2. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, maka yang menjadi perumusan masalah dalam penulisan skipri ini adalah bagaimana pengaruh momen (torsi)
Roda Gigi Kita telah mengenal apa yang dinamakan roda gigi.pada sepeda, kendaraan roda dua, mobil, kereta api, pesawat udara, kapal laut, dan semua jenis mesin-mesin perkakas selalu dilengkapi dengan komponenkomponen roda gigi. Dengan adanya komponen-komponen roda gigi ini maka sistem mekanisme mesin dan motor dapat bekerja sesuai dengan fungsinya. Secara umum fungsi dari roda gigi adalah untuk : a. Meneruskan daya dari poros penggerak ke poros yang digerakkan. b. Mengubah putaran dari poros penggerak ke poros yang digerakkan, yaitu dari putaran tinggi ke putaran rendah atau dari putaran rendah ke putaran tinggi. Bisa juga mengubah putaran disini berarti membuat arah putaran poros yang digerakkan berlawanan dengan arah putaran poros penggerak.
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
2
3 c. Memindahkan zat cair dari satu tempat ke tempat lain, misalnya oli, minyak tanah, dan sebagainya. Jadi, fungsi roda gigi di sini adalah sebagai pompa zat cair. Dalam otomotof dikenal adanya sistem pelumas dengan roda gigi. Rodagigi sering digunakan karena dapat meneruskan putaran dan daya yang lebih bervariasi dan lebih kompak daripada menggunakan alat transmisi yang lainnya, selain itu rodagigi juga memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan alat transmisi lainnya, yaitu : Sistem transmisinya lebih ringkas, putaran lebih tinggi dan daya yang besar. 2. Sistem yang kompak sehingga konstruksinya sederhana. 3. Kemampuan menerima beban lebih tinggi. 4. Efisiensi pemindahan dayanya tinggi karena faktor terjadinya slip sangat kecil. 5. Kecepatan transmisi rodagigi dapat ditentukan sehingga dapat digunakan dengan pengukuran yang kecil dan daya yang besar.
3.
METODE ANALISA
3.1. Tempat dan Waktu 3.1.1. Tempat Perancangan roda gigi untuk mobil harapan dilakukan di Laboratorium Pengujian Mesin dan Lanoratorium Proses Produksi Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan. 3.1.2. Waktu Waktu perancangan dilaksanakan setelah disetujui sejak tanggal pengesahan judul usulan tugas skripsi oleh pihak Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan sampai dengan dinyatakan selesai.
1.
2.1.1. Tipe Roda Gigi Berdasarkan dari bentuk (profil) giginya maka roda gigi dapat dibedakan menjadi empat tipe roda gigi : lurus (spur gears), miring (helical gears), kerucut (bevel gears), dan cacing (worm gears). Roda gigi lurus diilustrasikan pada gambar 2.5 yang memiliki gigi sejajar dengan sumbu rotasi dan digunakan untuk mengirimkan gerak dari satu poros ke yang lain (poros sejajar).
3.2. Studi Literatur Studi literatur bertujuan untuk memperoleh teori dan rumus-rumus dari beberapa buku referensi yang diperlukan dalam analisa dengan menggunakan ansys 14.0. 3.3. Pengumpulan Data Data-data yang diperoleh pada analisa roda gigi merupakan data-data dari hasil perancangan roda gigi dan poros roda gigi. Adapun data yang diperoleh dari hasil perancangan adalah sebagi berikut : 1. Mekanisme kerja sistem transmisi Mekanisme kerja sistem transmisi yang direncanakan diilustrasikan pada gambar 3.1. Daya dan putaran dari mesin penggerak ditransmisikan ke roda gigi dengan menggunakan rantai dan sproket. Begitu juga dari roda gigi ke poros roda belakang. Fungsi utama dari roda gigi disini adalah untuk mengatur gerak maju dan gerak mundur.
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
3
4
Gambar 3.1. Mekanisme kerja sistem transmisi Keterangan gambar : 1. Engine 2. Sproket poros penggerak 3. Rantai transmisi input 4. Sproket input 5. Sproket output 6. Rantai transmisi output 7. Sproket poros roda 8. Roda gigi Gambar 3.2 memperlihatkan ilustrasi roda gigi yang direncanakan. Roda gigi ini dilengkapi dengan tuas pengatur gerak maju-mundur. Tuas tersebut terhubung ke poros output yang dilengkapi dengan silang empat.
Gambar 3.2. Roda gigi dengan pengatur gerak majuamundur
Gambar 3.3. Roda gigi gerak maju
Disini putaran roda gigi nomor 1 yang melalui poros A diteruskan ke roda gigi nomor 2 pada poros B. Putaran pada poros B kemudian diteruskan ke poros D melalui roda gigi nomor 3 ke roda gigi nomor 4. Pada keadaan yang sama, roda gigi nomor 5 juga meneruskan putaran ke roda gigi nomor 6 pada poros C yang berfungsi sebagai pembalik arah. Disini poros C tidak ikut berputar bersamaan dengan roda gigi. Kemudian putaran roda gigi nomor 6 diteruskan ke roda gigi nomor 7. Namun roda gigi nomor 7 ini tidak ikut berputar bersama poros D. Kemudian apabila silang empat berada pada posisi roda gigi nomor 7 seperti pada gambar 3.4, maka yang terjadi adalah gerakan mundur. Disini putaran roda gigi nomor 1 yang melalui poros A diteruskan ke roda gigi nomor 2 pada poros B. Putaran pada poros B kemudian diteruskan ke poros C melalui roda gigi nomor 5 ke roda gigi nomor 6. Roda gigi nomor 6 berfungsi sebagai pembalik arah. Pada keadaan yang sama, roda gigi nomor 3 juga meneruskan putaran ke roda gigi nomor 4 pada poros D. Namun roda gigi nomor 4 tidak ikut berputar bersama poros. Kemudian putaran roda gigi nomor 6 diteruskan ke roda gigi nomor 7.
Apabila silang empat tersebut berada pada posisi roda gigi nomor 4 seperti pada gambar 3.3, maka yang terjadi adalah gerakan maju.
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
4
5 Pemodelan poros dilakukan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Autocad 2013. Hasil pemodelan roda gigi dan porosnya diberikan pada gambar 4.1.
Gambar 3.4. Roda gigi gerak mundur 2.
Ukuran roda gigi Diameter pitch roda gigi : d1 = 55 mm d2 = 110 mm d3 = 75 mm d4 = 150 mm d5 = 30 mm d6 = 60 mm d7 = 135 mm Modul, m = 2,5 mm Jumlah gigi roda gigi : z1 = 22 buah z2 = 44 buah z3 = 30 buah z4 = 60 buah z5 = 12 buah z6 = 24 buah z7 = 54 buah
Kelonggaran (clearance), c = 0,625 mm Tinggi Kepala (addendum), a = 2,5 mm Tinggi kaki (dedendum), b = 3,125 mm Tinggi keseluruhan gigi, ht = 5,625 mm Tebal nominal gigi, t = 3,925 mm Lebar permukaan, w = 23,31 mm 3. Ukuran poros roda gigi dA = 24 mm dB = 28 mm dC = 28 mm dD = 36 mm 4. Torsi pada poros = 80385 N.mm = 152879,04 N.mm = 315313,02 N.mm SIMULASI DAN PEMBAHASAN 4.1. Pembuatan Modeling
(a)
(b) Gambar 4.1. Hasil pemodelan : (a) poros input, (b) poros output 4.2.
Simulasi Menggunakan Ansys Workbench 14.0
4.2.1.
Membuka Ansys Workbench 14.0
Untuk membuka Ansys Workbench 14.0 dimulai dengan mengklik start menu Ansys Workbench. Tampilan layar pembuka Ansys 14.0 dan tampilan jendela kerja Workbench secara berurutan diberikan pada gambar 4.2 dan 4.3. 4.2.2.
Engineering Data Engineering Data adalah fitur bertujuan untuk menentukan jenis material digunakan pada objek yang akan dianalisa. material yang digunakan pada roda gigi porosnyaadalah Struktural Steel.
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
5
yang yang Jenis dan
6 Langkah yang dilakukan pada tahap ini adalah dengan mengklik dua kali pada Engineering DataStructural SteelReturn to Project. Maka akan muncul outline seperti pada gambar 4.5 dan gambar 4.6.
Meshing merupakan bagian integral dari simulasi rekayasa dibantu proses komputer. Meshing mempengaruhi akurasi, dan kecepatan konvergensi dari solusi. Pemberian meshing pada benda kerja dilakukan dengan cara : Klik MeshGenerate Meshing Hasil meshing diberikan pada gambar 4.10
Gambar 4.5. Outline of General Materials
Gambar 4.10. Hasil meshing : 4.2.5.
Analisys Model Analisys model akibat momen terdiri dari
Equivalent Stress danShear Stress. Langkah – langkah yang dilakukan adalah : Gambar 4.6. Propertis material
1. Memberikan Force Klik kanan pada Static Structural (A5) Pilih Force Klik SurfaceDefine by VektorMagnitude isikan 80385 N.mm
Menentukan Geometry Fitur Geometry adalah fasilitas yang
untuk profil poros input, dan 313513,02
diberikan Ansys Workbench yang bertujuan untuk
Hasil pemberian beban diberikan pada
mendesain sebuah model yang akan dianalisa. Dalam
gambar 4.11
4.2.3.
N.mm untuk profil poros output.
kasus ini model didesain dengan menggunakan perangkat lunak Autocad 2013. Yang dilakukan untuk menampilkan hasil pemodelan tersebut adalah : Mengklik kanan pada GeometryImport Geometry Browse Pilih Geometry yang sudah di desain menggunakan Autocad 2013. Seperti yang diberikan pada gambar 4.7. 4.2.4.
Meshing
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
6
7
(a)
Gambar 4.13. Pengaturan solution
(b)
2. Melihat hasil simulasi (Solve)
Menentukan
Untuk melihat hasil simulasi klik
Solution Klik kanan pada Solution (A6)
Solve
InsertEquivalent
Hasil simulasi yang memperlihatkan
Stress
danShear Stress. Seperti diberikan
Shear Stressdiberikan pada gambar
pada gambar 4.13. 4.14.
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
7
8
(a)
(a)
(b)
(b)
Gambar 4.14. Shear Stress : (a) profil poros
Gambar 4.15. Equivalent Stress : (a) profil
input, (b) profil poros output
poros input, (b) profil poros output
Hasil simulasi yang memperlihatkan Equivalent
Stressdiberikan
pada
gambar 4.15.
(a)
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
8
9 4.3.
Pembahasan Berdasarkan
hasil
simulasi
menggunakan Ansys Workbenchtegangan geser maksimum yang terjadi akibat gaya pada poros input seperti yang diberikan gambar 4.14 (a) yaitu sebesar 30,01 MPa atau 3,01 kg/mm2. Harga ini masih dibawah harga tegangan ijin bahan yaitu sebesar 3,01 kg/mm2. Sedangkan
(b)
berdasarkan hasil perhitungan yaitu sebesar 3,02 kg/mm2. Tegangan geser maksimum yang terjadi akibat gaya pada poros output seperti yang diberikan gambar 4.14 (b) yaitu sebesar 35,1 MPa atau 3,51 kg/mm2. Harga ini di bawah harga tegangan ijin bahan yaitu sebesar 4,83 kg/mm2.
(c)
Sedangkan
berdasarkan
hasil
perhitungan yaitu sebesar 3,51 kg/mm2. Tegangan lentur maksimum yang terjadi akibat gaya pada poros input seperti yang diberikan gambar 4.15 (a) yaitu sebesar 251,59 MPa atau 25,15kg/mm2. Harga ini masih dibawah harga tegangan ijin bahan yaitu sebesar 58
kg/mm2.
Sedangkan
berdasarkan
hasil
perhitungan yaitu sebesar 27 kg/mm2. Tegangan lentur maksimum yang terjadi
(d)
akibat momenpada poros input seperti yang
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
9
10 diberikan gambar 4.15 (b) yaitu sebesar 268,36
3. Tegangan lentur maksimum yang terjadi
MPa atau 26,836kg/mm2. Harga ini masih di
akibat momen pada poros input yaitu
bawa harga tegangan ijin bahan yaitu sebesar 58
sebesar 251,59 MPa atau 25,15 kg/mm2.
kg/mm2.
Sedangkan
berdasarkan
hasil
perhitungan yaitu sebesar 27 kg/mm2.
ijin bahan yaitu sebesar 27 kg/mm2.
5.1. Kesimpulan Dari perangkat
hasil lunak
Sedangkan simulasi Ansys
menggunakan
Workbench
14.0,
diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
akibat momen pada poros input yaitu sebesar 30,01MPa atau 3,01kg/mm2. Harga ini masih dibawah harga tegangan ijin bahan yaitu sebesar 3,01kg/mm2. berdasarkan
berdasarkan
hasil
perhitungan yaitu sebesar 58 kg/mm2. 4. Tegangan lentur maksimum yang terjadi akibat momen pada poros input yaitu
1. Tegangan geser maksimum yang terjadi
Sedangkan
Harga ini masih dibawah harga tegangan
hasil
perhitungan yaitu sebesar 3,02 kg/mm2. 2. Tegangan geser maksimum yang terjadi akibat momen pada poros output yaitu
sebesar
268,36
MPa
atau
26,836
kg/mm2. Harga ini sangat jauh melebihi harga tegangan ijin bahan yaitu sebesar 58 kg/mm2. Sedangkan berdasarkan hasil perhitungan yaitu sebesar 27 kg/mm2. 5.2. Saran 1. Untuk pengembangan lebih lanjut, akan lebih
baik
jika
dilakukan
analisa
sebesar 35,1 MPa atau 3,51 kg/mm2.
kekuatan poros pada kondisi beban
Harga ini jauh melebihi harga tegangan
dinamis
ijin bahan yaitu sebesar 4,83 kg/mm2. Sedangkan
berdasarkan
hasil
perhitungan yaitu sebesar 3,51 kg/mm2.
2. Bagi yang ingin melakukan pabrikasi, akan lebih baik jika beban yang akan diterima pegas ditinjau ulang. Jika diameter poros yang direncanakan tidak
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
10
11 sesuai dengan kondisi yang ada, maka diameter poros yang dipakai harus lebih besar dari yang direncanakan.
Biltek Vol. 4, No. 013 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan
11
