UNIVERSITAS DIPONEGORO
ANALISA DINAMIK CONNECTING ROD MOTOR 4 LANGKAH MULTI-SILINDER IN-LINE DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI MATLAB-SIMMECHANIC
TUGAS AKHIR
PANJI SASONGKO JATI L2E 007 070
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN
SEMARANG SEPTEMBER 2012
TUGAS SARJANA Diberikan kepada : Nama
: Panji Sasongko Jati
NIM
: L2E 007 070
Pembimbing I
: Dr. Achmad Widodo, ST, MT
Pembimbing II
: Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT
Jangka Waktu
: 7 (tujuh) bulan
Judul
: Analisa Dinamik Connecting Rod Motor 4 Langkah MultiSilinder In-Line dengan Menggunakan Simulasi
Matlab-
Simmechanic Isi Tugas
: 1. Memodelkan mekanisme slider crank multi-silinder in-line ke dalam blok Matlab-Simmechanic. 2. Menganalisa kinematika dan kinetika mekanisme slider crank multi-silinder in-line dengan menggunakan MatlabSimmechanic.
Dosen Pembimbing I,
Dosen Pembimbing II,
Dr. Achmad Widodo, ST, MT
Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT
NIP. 197307021999031001
NIP. 196605212006041010
ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi/Tesis/Disertasi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.
NAMA
: Panji Sasongko Jati
NIM
: L2E 007 070
Tanda Tangan : Tanggal
:
iii
September 2012
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh : NAMA
: Panji Sasongko Jati
NIM
: L2E 007 070
Jurusan/Program Studi
: Teknik Mesin / S-1
Judul Skripsi
: Analisa Dinamik Connecting Rod Motor 4 Langkah MultiSilinder In-Line dengan Menggunakan Simulasi MatlabSimmechanic
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro.
TIM PENGUJI
Pembimbing I
: Dr. Achmad Widodo, ST, MT
(
)
Pembimbing II
: Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT (
)
Penguji
: Ir. Bambang Yunianto, MSc
(
)
Penguji
: Dr. Jamari, ST, MT
(
)
iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, yang bertanda tangan di bawah ini: Nama NIM Jurusan/Program Studi Fakultas Jenis Karya
: : : : :
Panji Sasongko Jati L2E 007 070 Teknik Mesin Teknik Tugas Akhir
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul: “ANALISA DINAMIK CONNECTING ROD MOTOR 4 LANGKAH
MULTI-SILINDER IN-LINE DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI MATLAB-SIMMECHANIC” beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di Pada Tanggal
: Semarang : September 2012 Yang menyatakan
(Panji Sasongko Jati)
v
HALAMAN PERSEMBAHAN
Tugas Sarjana ini sebagai rasa syukur Penulis dan dipersembahkan untuk: Bapak, Ibu, Adik dan keluarga besar tercinta yang selalu memberikan do’a dan dukungan baik moril maupun material, terima kasih. Teman-teman Teknik Mesin UNDIP angkatan 2007 sebagai motivator, inspirator, dan kompetitor. Teman-teman KKN khususnya Desa Mantingan, Kec. Tahunan, Jepara, terima kasih atas support yang diberikan.
vi
ABSTRAK
Connecting rod merupakan komponen pada mekanisme slider crank yang bekerja sangat aktif akibat gerak putar crankshaft dan gerak translasi piston. Sehingga gaya yang diterima komponen ini cukup besar untuk menyebabkan kegagalan jika connecting rod digunakan pada kecepatan rotasi tinggi. Mesin yang memiliki banyak silinder dapat menghasilkan kecepatan rotasi yang tinggi. Maka diperlukan penelitian mengenai fenomena dinamika khususnya fenomena kinematika dan kinetika untuk mengetahui pengaruh kecepatan rotasi mesin terhadap gaya yang bekerja pada connecting rod pada mesin multi-silinder segaris 4 langkah. Fenomena kinematika dan kinetika connecting rod ini dianalisa menggunakan software Matlab-Simmechanic. Input yang digunakan adalah kecepatan rotasi mesin yang diukur pada crankshaft. Output yang akan dianalisa adalah kecepatan dan percepatan angular (kinematika), gaya yang bekerja pada connecting rod (kinetika), dan torsi saat mekanime slider-crank bekerja. Analisa dilakukan dengan mengelompokkan silinder sesuai keserupaan fasenya. Hasilnya, semakin tinggi kecepatan rotasi mesin, makin besar pula kecepatan dan percepatan angular, torsi mekanisme slider-crank, dan gaya yang bekerja pada connecting rod.
Kata kunci : connecting rod, slider-crank, kinematika, kinetika, simmechanic
vii
ABSTRACT
Connecting rod is the most active component in slider crank mechanism, due to rotational motion of crankshaft and translation motion of piston. So, the force that acting in this component is huge enough to cause a fatigue, if the connecting rod being used in a high engine rotational speed. An engine that have many cylinder can produce a high engine rotational speed.
Research about dynamic phenomenon specially
kinematic and kinetic phenomenon is needed to know the effect of engine rotational speed compared the acting force in a multi cylinder inline 4 stroke connecting rod. The connecting rod kinematic and kinetic phenomenon is analyzed with a MatlabSimmechanic software. The input that used in this research is a measured engine rotational speed in crankshaft. The output which will be analyzed is angular velocity and acceleration (kinematic), connecting rod acting force (kinetic), and torque that act in this mechanism. Analyze will be done with separate the cylinder depended the similarity phase. Finally, if engine rotational speed increase then the force that act in connecting rod is bigger.
Keywords : connecting rod, slider-crank, kinematic, kinetic, simmechanic
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas karunia Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayahnya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini. Tidak lupa penulis mengucapkan terimakasih kepada, 1. Kedua orang tua yang telah sabar mendidik, membesarkan dan berdoa untuk penulis. 2. Bapak Dr. Achmad Widodo, ST, MT sebagai Dosen pembimbing TA 1. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT sebagai Dosen pembimbing TA 2. 4. Saudari Srini sebagai partner penelitian dan pengerjaan Tugas Akhir ini.
Penulis menyadari bahwa laporan Tugas akhir ini jauh dari sempurna dan masih banyak kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan beberapa saran dan kritik yang membangun agar laporan ini jauh lebih baik. Semoga laporan ini bisa bermanfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya.
Semarang, September 2012
Panji Sasongko Jati NIM. L2E 007 070
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ................................................................................................... i HALAMAN TUGAS SARJANA ................................................................................ ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ....................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................... iv HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .................................. v HALAMAN PERSEMBAHAN .................................................................................. vi ABSTRAK ................................................................................................................... vii KATA PENGANTAR ................................................................................................. ix DAFTAR ISI ................................................................................................................ x DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... xiii DAFTAR TABEL ........................................................................................................ xvi NOMENKLATUR ...................................................................................................... xvii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang ...................................................................................................... 1
1.2
Tujuan Penelitian ................................................................................................... 2
1.3
Batasan Masalah .................................................................................................... 2
1.4
Metode Penelitian .................................................................................................. 3
1.5
Sistematika Penulisan ............................................................................................ 3
BAB II DASAR TEORI ...................................................................................................................................... 5 2.1
Klasifikasi Motor Bakar ......................................................................................... 5 2.1.1Istilah-Istilah pada Mesin Bolak-Balik/Recriprocating Engines ................. 8
x
2.1.2Four-Stroke Engine ....................................................................................... 9 2.1.3In-Line Multi-Cylinder ICE ......................................................................... 13 2.2
Rigid Bodies/Benda Tegar dan Plane Motion ...................................................... 13
2.3
Kinematika Benda Tegar ..................................................................................... 15 2.3.1Rotasi .......................................................................................................... 16 2.3.2Absolute Motion........................................................................................... 17 2.3.3Kecepatan Relatif Akibat Rotasi ................................................................. 18 2.3.4Percepatan Relatif Akibat Rotasi................................................................. 20
2.4
Kinetika Benda Tegar .......................................................................................... 21 2.4.1Persamaan Dasar Gerakan ........................................................................... 22 2.4.2Translasi ...................................................................................................... 24 2.4.3Rotasi pada Sumbu Tetap ............................................................................ 25
2.5
Analisa Dinamis Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line ........................... 27 2.5.1Kinematika pada Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line................... 27 2.5.2Kinetika pada Mekanisme Slider-Crank ..................................................... 30 2.5.3Torsi Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line ..................................... 32
2.6
Software Simmechanic ........................................................................................ 33
BAB III ANALISA DINAMIKA DAN PEMODELAN SIMULASI CONNECTING ROD ......... 34 3.1
Analisa Kinematika dan Kinetika Connecting Rod ............................................. 34 3.1.1Kinematika Connecting Rod .................................................................... 35
xi
3.1.2Kinetika Connecting Rod ............................................................................ 39 3.1.3Torsi Saat Mekanisme Bekerja .................................................................... 42 3.2
Pemodelan Connecting Rod ................................................................................. 43 3.2.1Simulasi dengan Simmechanic 3.0 .............................................................. 46
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................................................ 57 4.1
Analisa Kinematika Connecting Rod ................................................................... 57 4.2.1Hasil Plot Kecepatan Angular ..................................................................... 58 4.2.2Hasil Plot Percepatan Angular..................................................................... 61
4.2
Analisa Kinetika ................................................................................................... 64 4.2.1Hasil Plot Gaya Connecting Rod Untuk Berbagai Variasi Kecepatan Rotasi Mesin ........................................................................................................... 65 4.2.2Hasil Plot Torsi Mekanisme Slider-Crank .................................................. 70
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................................................ 73 5.1
Kesimpulan .......................................................................................................... 73
5.2
Saran .................................................................................................................... 75
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................................... 76 LAMPIRAN........................................................................................................................................... 78
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Mesin mobil (ICE) ....................................................................................... 5 Gambar 2. 2 Terminologi pada ICE ................................................................................. 8 Gambar 2. 3 Penampang mesin vertikal 4 langkah SOHC(Single Over Head Camshaft) ......................................................................................................................................... 10 Gambar 2. 4 Diagram siklus kerja motor bensin 4 langkah ............................................ 10 Gambar 2. 5 Prinsip kerja torak 4 langkah...................................................................... 11 Gambar 2. 6 Bagian-bagian motor bensin 2 langkah ...................................................... 12 Gambar 2. 7 Mesin multi-silinder segaris ....................................................................... 13 Gambar 2. 8 (a)Rectilinier translation, (b)Curvilinier translation ................................. 14 Gambar 2. 9 Gerak rotasi terhadap sebuah sumbu ......................................................... 15 Gambar 2. 10 Gerak kombinasi translasi dan rotasi ....................................................... 15 Gambar 2. 11 Gerak rotasi benda tegar........................................................................... 16 Gambar 2. 12 Benda tegar berputar terhadap titik O ...................................................... 17 Gambar 2. 13 Contoh mekanisme pendekatan absolute motion ..................................... 18 Gambar 2. 14 Diagram benda bebas pendekatan absolute motion ................................. 18 Gambar 2. 15 Relative motion ........................................................................................ 19 Gambar 2. 16 Pengubahan free-body diagram sebuah benda menjadi diagram kinetika ......................................................................................................................................... 22 Gambar 2. 17 Gaya yang bekerja pada sebuah benda tegar............................................ 23 Gambar 2. 18 Rectilinier dan curviliniear translation.................................................... 24 Gambar 2. 19 (a)Rotasi benda tegar,(b)Diagram benda bebas,(c)Diagram kinetika ...... 25 Gambar 2. 20 Titik Q sebagai center of percussion ........................................................ 26 Gambar 2. 21 Mekanisme slider-crank........................................................................... 27 Gambar 2. 22 Percepatan connecting rod ....................................................................... 30 Gambar 2. 23 Diagram gaya piston ................................................................................ 31 Gambar 2. 24 Diagram gaya connecting rod .................................................................. 31 Gambar 2. 25 Diagram gaya crankshaft ......................................................................... 32
xiii
Gambar 2. 26 Contoh pengkonversian gambar 3D ke dalam simmechanic ................... 33 Gambar 3. 1 Skema sederhana sistem slider-crank ........................................................ 34 Gambar 3. 2 Gaya pada piston ........................................................................................ 39 Gambar 3. 3 Diagram benda bebas gaya connecting rod ............................................... 41 Gambar 3. 4 Diagram benda bebas torsi crankshaft ....................................................... 42 Gambar 3. 5 Diagram alir penelitian ............................................................................... 44 Gambar 3. 6 (a)Model 3D solidwork mekanisme slider-crank,(b)Model 3D solidwork connecting rod dan piston ............................................................................................... 45 Gambar 3. 7 (a)Blok-blok simmechanic mewakili mekanisme slider-crank,(b) Blokblok simmechanic mewakili sistem silinder ................................................................... 47 Gambar 3. 8 Contoh blok pada simmechanic ................................................................. 47 Gambar 3. 9 Parameter blok: Crankshaft....................................................................... 48 Gambar 3. 10 Parameter blok: Ground ........................................................................... 49 Gambar 3. 11 Parameter blok: Machine Enviroment ...................................................... 50 Gambar 3. 12 Parameter blok: Revolute ......................................................................... 51 Gambar 3. 13 Parameter blok: Prismatic ........................................................................ 52 Gambar 3. 14 Parameter blok: Joint Initial Condition.................................................... 53 Gambar 3. 15 Parameter blok: Joint Sensor .................................................................. 53 Gambar 3. 16 Scope ........................................................................................................ 54 Gambar 3. 17 Simulasi simmechanic.............................................................................. 55 Gambar 4. 1 Mechanism slider crank ............................................................................. 57 Gambar 4. 2 Grafik kecepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 1 dan 4 ...... 59 Gambar 4. 3 Grafik kecepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 2 dan 3 ...... 60 Gambar 4. 4 Grafik kecepatan angular terhadap waktu pada silinder 1 dan 4 ............... 60 Gambar 4. 5 Grafik percepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 1 dan 4 ..... 62 Gambar 4. 6 Grafik percepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 2 dan 3 ..... 63 Gambar 4. 7 Grafik percepatan angular terhadap waktu pada silinder 1 dan 4 .............. 63 Gambar 4. 8 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 2000rpm pada silinder 1 dan 4…. 67 Gambar 4. 9 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 2000rpm pada silinder 2 dan 3 ..... 67 Gambar 4. 10 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 3600rpm pada silinder 1 dan 4 ... 68 Gambar 4. 11 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 3600rpm pada silinder 2 dan 3 ... 68
xiv
Gambar 4. 12 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 5400rpm pada silinder 1 dan 4 .. 69 Gambar 4. 13 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 5400rpm pada silinder 2 dan 3 ... 69 Gambar 4. 14 Grafik torsi terhadap sudut pada silinder 1 dan 4 .................................... 71 Gambar 4. 15 Grafik torsi terhadap sudut pada silinder 2 dan 3 .................................... 71
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 3. 1 Properti baja AISI 4340 ................................................................................. 56 Tabel 4. 1 Massa dan inersia komponen mekanisme slider-crank ................................ 72
xvi
NOMENKLATUR
Simbol
Keterangan
Satuan
F
Gaya
N
m
Massa
Kg
a
Percepatan
m/
v
Kecepatan
m/s
ω
Kecepatan Angular
rad/s
α
Percepatan Angular
rad/
I
Momen Inersi
kg.
M
Momen
N.m
xvii
