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.
1 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
Gambar 2. Potongan dan foto cylinder block
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)
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
Komponen Liner Block
Dengan adalah ketinggian flens dari cylinder block dan adalah diameter dalam dari cylinder block. Selanjutnya mencari panjang flens minimum cylinder block melalui persamaan ...(3)
Material Steel 4340 Aluminu m 6061
Tensile Yield Strenght (MPa)
Safety factor
710
1,95
276
1,95
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 (
Dengan adalah panjang flens pada cylinder block dan adalah diameter luar dari cylinder block.
)...(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
2 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
dalam silinder. Selanjutnya untuk outer surface melalui persamaan ...(7) (
Dengan tm adalah ketebalan cylinder block (mm), adalah tekanan internal dan adalah tensile yield strenght material, ns adalah nilai safety factor.
)...(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, tensile yield strenght dari material, dan nilai safety factor yang di tentukan.
adalah adalah
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
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 Tensile Yield Komponen Material Strenght (MPa) Liner Steel 4340 710 Block
Aluminum 6061
276
Safety factor 3,06 3,06
Sebelum mendapatkan von mises, ada beberapa tahapan dalam pengerjaan yang dimana harus mendapatkan gaya (F) perbagian melalui persamaan
...(12) ...(13)
3 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
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.
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.
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
Von Mises stress ( MPa )
Tegangan liner 60 50 40 30 20 10 0
55,47
40,9 analitik
max min Variasi ( MPa ) Gambar 4. Von mises stress analitik
Dimana adalah von mises stress, tensile yield strengt dari material, dan nilai safety factor yang di tentukan.
adalah adalah
3. Hasil dan Analisa Setelah mengetahui bebrapa persamaan yang digunakan untuk mendapatkan dimensi dan kekuatan von mises stress maka diperoleh hasil berikut
Von Mises Stress ( MPa )
...(19) Tegangan liner 70 60 50 40 30 20 10 0
61,41 ANSYS 30,31
max
min
Variasi ( MPa )
Gambar 5. Von mises stress ANSYS.14
4 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
70 60 50 40 30 20 10 0
antara perhitungan analitik dan simulasi melalui software ANSYS.14.
61,41 Tegangan block 55,47
40,9 30,31
analitik ANSYS
max
min
Variasi ( MPa )
Von Mises stress ( MPa )
Von Mises Stress( MPa )
Variasi Tegangan liner
60 50 40 30 20 10 0
50,16 35,39 analitik
max
Gambar 6. Perhitungan analitik vs ANSYS.14
min
Variasi ( MPa )
Von Mises stress ( MPa )
Gambar 7. Von mises stress analitik
Tegangan block 80 60
57,34
40 30,56 20
ANSYS
0 max
Gambar 7. Hasil simulasi ANSYS.14
min
Variasi ( MPa ) Gambar 8. Von mises stress ANSYS.14
Variasi Tegangan block Von Mises stress ( MPa )
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
70 60 50 40 30 20 10 0
57,34 50,16
35,39 30,56
max min Variasi ( MPa )
analitik ANSYS
Gambar 9. Perhitungan analitik vs ANSYS.14
5 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
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.
Von Mises Stress ( MPa )
Variasi Tegangan Block Cylinder 65,95 70 60 50 62,26 40 30 20 10 0 max
29,28 1,74
analitik ANSYS
min
Variasi ( MPa ) Gambar 13. Perhitungan analitik vs 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 Von Mises Stress ( MPa )
Gambar 10. Hasil simulasi ANSYS.14
Tegangan Crankcase 80
61,36
60 40 20
30,26
0 max
min
Variasi ( MPa )
ANSYS. 14
Gambar 11. Von mises stress ANSYS.14
6 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
Von Mises Stress ( MPa )
Tegangan Crankcase 50 40 30 20 10 0
46,24
23,12
max
min analitik
Variasi ( MPa )
Gambar 12. Von mises stress perhitungan analitik
Von Mises Stress( MPa )
Variasi Tegangan Crankcase 70 60 50 40 30 20 10 0
64,71 46,24 23,12 13,52 max
min
Variasi ( MPa )
Perhitungan Analitik ANSYS.14
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
7 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
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.
8 Perancangan dan..., Frendy Rian Saputro, FT UI, 2013
