PERANCANGAN POROS RODA DEPAN UNTUK MOBIL HARAPAN DAN ANALISA SIMULASI PEMBEBANAN STATIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK ANSYS 14.0

PERANCANGAN POROS RODA DEPAN UNTUK MOBIL HARAPAN DAN ANALISA SIMULASI PEMBEBANAN STATIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK ANSYS 14.0 Afriansyah *) . Rahmawaty , ST, MT Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi 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 1. Pendahuluan Latar belakang Sejarah otomotif dimulai awal 1769 dengan di buat mesin bertenaga uap yang mampu menjadi alat transportasi manusia. Pada tahun 1806, mobil pertama yang menggunakan mesin pembakaran internal berbahan bakar gas muncul,

yang mengarah pada penemuan mesin modern berbahan bakar bensin pada tahun 1885. Hingga mobil listrik yang muncul pada abad ke -20. Mungkin di antara kita semua sudah tidak asing lagi ketika mendengar nama perusahaan mobil seperti Ferrari, Marcedes Benz, Ford, BMW, dan lain sebagainya. Selain itu, kita juga sering melihat atau bahkan mengendarai salah satu mobil keluaran dari salah satu perusahaan yang tadi

Biltek Vol. 5, No. 005 Tahun 2015 – Sekolah Tinggi Teknik Harapan

1

disebutkan namanya. Tapi tahukan kita tentang siapa saja orang yang berjasa dalam penemuan kendaraan yang anda miliki atau tunggai sekarang. Tidak adalah jawaban dari sebagian besar orang yang sering mengendarai mobil atau kendaraan bermotor. Bukti mengatakan bahwa orang lebih mengenal nama perusahaannya itupun hanya tahu singkatannya saja tidak tahu apa kepanjangannya. Kenderaan roda empat secara umum mempunyai beberapa kompoen utama, yaitu : chasis, rangka, body, suspensi, rangkaian penghasil daya, dan rangkaian penerus daya. Poros depan merupakan salah satu bagian yang sangat penting dari setiap mesin yang berfungsi sebagai tempat berputarnya roda. Dalam perencanaan poros sangatlah perlu memperhatikan kekuatan dan pembebanan yang diterima poros. Hal inilah yang melatar belakangi penulis melakukan perencanaan terhadap poros Mobil Harapan, kemudian melakukan analisa dengan menggunakan perangkat lunak Ansys 14.0. Perumusan masalah Berdasarkan latar belakang di atas, maka yang menjadi perumusan masalah dalam penulisan skipri ini adalah bagaimana merencanakan sebuah poros depan dan komponen pendukung poros yang berfungsi sebagai tempat berputarnya roda, dan melakukan analisa terhadap hasil rancangan dengan bantuan perangkat lunak Ansys Workbench 14.0 sehingga poros tersebut aman untuk digunakan.

menggunakan mesin pembakaran internal berbahan bakar gas muncul, yang mengarah pada penemuan mesin modern berbahan bakar bensin pada tahun 1885. Hingga mobil listrik yang muncul pada abad ke -20. Kendaraan pertama yang menggunakan tenaga mesin uap dibuat pada akhir abad 18. Nicolas Joseph Cugnot dengan sukses mendemonstrasikan kendaraan tersebut pada tahun 1769. Hasil rancangan Nicolas Joseph Cugnot tersebut dibangun oleh M.Brezin seperti yang terlihat pada gambar 2.1. Peningkatan mesin uap paling dikenal dikembangkan di Birmingham, Inggris oleh Lunar Society. Komponen Utama Mobil Mobil terdiri dari beberapa komponen dasar. Secara kelompok besar maka komponen utama mobil khususnya mobil klasik terbagi atas : 1. Mesin (Engine) Mesin merupakan alat untuk membangkitkan tenaga, ia disebut sebagai penggerak utama. Jadi mesin disini berfungsi merubah energi panas dari ruang pembakaran ke energi mekanis dalam bentuk tenaga putar.

Tujuan Merujuk kepada hal yang telah dibahas pada bagian rumusan masalah dan batasan masalah sebelumnya, maka tujuan dari penelitian ini adalah untuk : 1. Memperoleh diameter poros yang direncanakan 2. Memperoleh tegangan geser yang direncanakan 3. Memperoleh tegangan lentur yang direncanakan 4. Memperoleh besarnya defleksi akibat pembebanan 5. Memperoleh besarnya tegangan dan defleksi yang terjadi akibat pembebanan pada poros berdasarkan hasil analisa menggunakan perangkat lunak Ansys 14.0. 2. Tinjauan Pustaka Sejarah Mobil Sejarah otomotif atau otomobile di mulai awal 1769 dengan dibuatnya mesin bertenaga uap yang mampu menjadi alat transportasi manusia. Pada tahun 1806, mobil pertama yang

2.

Sasis (Chassis) Chassis adalah bagian dari kendaraan yang berfungsi sebagai penopang bodi dan terdiri dari frame (rangka), engine (mesin), power train (pemindah tenaga), wheels (roda-roda), steering system (sistem kemudi), suspension system (sistem suspensi), brake system (sistem rem), dan kelengkapan lainnya. Berdasar pada konstruksi menempelnya bodi pada rangka, maka terdapat dua jenis konstruksi bodi kendaraan, yaitu konstruksi composite (terpisah) dan konstruksi monocoq (menyatu). Konstruksi terpisah (Composite) merupakan jenis konstruksi bodi kendaraan dimana bodi dan rangkanya terpisah (gambar 2.6). Pertautan atau penyambungan antara bodi dan rangka menggunakan baut dan mur. Untuk meningkatkan kenyamanan saat


2

digunakan, maka diantara bodi dan rangka dipasang karet sebagai alat peredam getaran

Konstruksi menyatu (Monocoque) merupakan jenis konstruksi bodi kendaraan dimana bodi dan rangka tersusun menjadi satu kesatuan. Konstruksi ini menggunakan prinsip kulit telur, yaitu merupakan satu kesatuan yang utuh sehingga semua beban terbagi merata pada semua bagian kulit. Pertautan antara bodi dan rangka menggunakan las.

3.

Suspensi Suspensi adalah suatau mekanisme dari sekumpulan benda kaku yang dipasangkan di antara body atau rangka dengan roda-rada yang berfungsi untuk meredam getarangetaran atau kejutan-kejutan pada (beban dinamis) yang ditimbulkan oleh keadaan jalan dan juga berfungsi sebagai tumpuan atau penahan berat kendaraan (beban statis). Suspensi pada dasarnya merupakan bagian dari sasis. Sasis terdiri dari rangka kendaraan, sistem suspensi, sistem kemudi, dan roda atau ban. Sistem suspensi ditunjukan untuk menciptakan keamanan dan kenyamana bagi pengemudi maupun penumpang kendaraan. 4. Penerus daya Poros transmisi (transmission shaft) atau sering hanya disebut poros (shaft) digunakan pada mesin rotasi untuk mentransmisikan putaran dan torsi dari satu lokasi ke lokasi lain. Poros mentransmisikan torsi dari driver (motor atau engine) ke driven. Komponen mesin yang sering digunakan bersamaan dengan poros adalah

roda gigi, puli dan sproket.Transmisi torsi antar poros dilakukan dengan pasangan roda gigi, sabuk atau rantai.

Poros bisa menjadi satu dengan driver, seperti pada poros motor dan engine crankshaft, bisa juga poros bebas yang dihubungkan ke poros lainnya dengan kopling. Sebagai dudukan poros, digunakan bantalan. Perbedaan antara poros dan ass (axle) adalah poros meneruskan momen torsi (berputar), sedangkan as tidak. Untuk mengakomodasi pemasangan komponen seperti bantalan, sproket, roda gigi dan lain-lain, poros dibagi menjadi bebrapa step dengan diameter yang berbeda, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Penggunaan pasak dan pin untuk menahan elemen mesin bisa digantikan dengan memanfatkan gesekan. Salah satunya adalah clamp collar. Split collar adalah tipe lain dari clamp collar yang menggunakan ulir. Selain itu juga bisa digunakan suaian press dan shrink. Tetapi pemanfaatan gesekan ini masih juga menimbulkan konsentrasi tegangan. Rolling element bearing dipasang pada frame poros dengan memanfaatkan suaian press. Dibutughkan step pada poros untuk menahan bearing. Snap ring digunnakan untuk mencegah pergerakan aksial poros terhadap bearing. Keuntungan pengggunaan pasak adalah mudah untuk dipasang dan ukurannya telah distandarkan berdasar diameter poros. Pasak juga terpasang pada lokasinya secara akurat (‘phasing’), mudah dilepas dan diperbaiki. Kekurangan penggunaan pasak adalahtidak bisa menahan pergerakan aksial dan memungkinkan terjadinya ‘backlash’, karena adnya clearance antaara pasak dengan poros.


3

Taper pin merupakan torsi dengan baik dan bisa menahan pergerakan aksial dan radial, tetapi memperlemah poros. Pelepasannya dari poros lebih sulit dari pada pasak. Clamp collar mudah dipasang, tetapi sulit untuk memasang lagi pada posisinya. Suaian press adalah hubungan semipermanen, sehingga untuk memasang dan melepasnya diperlukan alat khusus. Baja sering digunakan karena modulus elastisitasnya tinggi, sehingga ketahanannya terhadap defleksi tinggi. Besi cor dan besi nodular digunakan ketika gear atau komponen lain terintegrasi pada poros. Perunggu dan stainless steel digunakan di laut atau pada kondisi korosif lainnya. Through atau case hardened steel sering digunakan pada poros yang digunakan juga sebagai jurnal pada sleeve bearing. Kebanyakan poros terbuat dari baja karbon rendah dan medium yang dirol panas (hot rolled) maupun dingin (cold rolled). Ketika diperlukan kekuatan yang lebih tinggi, bisa digunakan baja paduan. Cold rolled sering digunakan pada poros diameter kecil (sampai diameter 3 in.), sedangkan hot rolled untuk diameter yang lebih besar. Untuk material yang sama, sifat mekanik padda coldd rolled lebih besar, tetapi akan terjadi tegangan sisa pada permukaan. Alur pasak, groove dan step akan melokalisasi adanya tegangan sisa dan akan mengakibatkan ‘warping’. Permukaan poros yang di roll panas harus dimesin untuk menghilangkan carburizing pada pemukaan, sedangkan permukaan yang di roll dingin dibiarkan, kecuali pada bagian dispesifikasikan pada perancangan, seperti untuk tempat bantalan dan lain-lain.

5.

Sistem Kemudi Fungsi sistem kemudi adalah untuk mengatur arah kendaraan dengan cara membelokkan roda depan. Cara kerjanya seperti diperlihatkan pada gambar 2.19 bila steering wheel (roda kemudi) diputar, steering coulomn (batang kemudi) akan meneruskan tenaga putarnya ke steering gear (roda gigi kemudi).

-

6.

Steering gear memperbesar tenaga putar ini sehingga dihasilkan momen puntir yang lebih besar untuk diteruskan ke steering lingkage. Steering lingkage akan meneruskan gerakan steering gear ke roda-roda depan. Jenis sistem kemudi pada kendaraan menengah sampai besar yang banyak digunakan adalah model recirculating ball dan pada kendaraan ringan yang banyak digunakan adalah model rack dan pinion. Agar sistem kemudi sesuai dengan fungsinya maka harus memenuhi persyaratan seperti berikut : Kelincahannya baik. Usaha pengemudian yang baik. Recovery ( pengembalian ) yang halus. Pemindahan kejutan dari permukaan jalan harus seminimal mungkin. Roda dan Ban Pada kenderaan roda berfungsi untuk menopang berat motor dan pengendara, menyalurkan daya dorong, pengereman, daya stir padajalan. Disaat yang sama roda juga menyerap tekanan/kejutan dari permukaan jalan Pada sepeda motor roda berfungsi untuk menopang berat motor dan pengendara pada area yang kecil dimana permukaan ban menyentuh permukaan jalan, menyalurkan daya dorong, pengereman, daya stir pada jalan. Untuk itu roda harus bersifat kuat, kaku/rigit dan ringan. Ada tiga bagian roda pada sepeda motor, yaitu bagian hub roda, bagian pelek roda (wheel rim), dan ban (tire).Pada hub roda terpasang bantalan peluru (bearing), sepatu rem, tromol dan komponen bantu lainnya. Hub dan pelek roda dihubungkan oleh jari-jari (spokes). Ada juga roda dengan model satu kesatuan dimana hub dan peleknya terbuat dari bahan yang ringan (seperti pada aluminium). Design roda/pelek tergantung dari tipe struktur, material dan metode pembuatan roda dari pabrik yaitu: - Tipe roda jari-jari (wire spoke wheel)


4

-

7.

Tipe roda dari composit (composite wheel)

tercekam dengan gaya bantalan piston yang bekerja sacara hidrolik.

Rem Sistem rem dalam suatu kendaraan sepeda motor termasuk sistem yang sangat penting karena berkaitan dengan faktor keselamatan berkendara. Sistem rem berfungsi untuk memperlambat dan atau menghentikan sepeda motor dengan cara mengubah tenaga kinetik/gerak dari kendaraan tersebut menjadi tenaga panas. Perubahan tenaga tersebut diperoleh dari gesekan antara komponen bergerak yang dipasangkan pada roda sepeda motor dengan suatu bahan yang dirancang khusus tahan terhadap gesekan. Gesekan (friction) merupakan faktor utama dalam pengereman. Oleh karena itu komponen yang dibuat untuk sistem rem harus mempunyai sifat bahan yang tidak hanya menghasilkan jumlah gesekan yang besar, tetapi juga harus tahan terhadap gesekan dan tidak menghasilkan panas yang dapat menyebabkan bahan tersebut meleleh atau berubah bentuk. Bahan-bahan yang tahan terhadap gesekan tersebut biasanya merupakan gabungan dari beberapa bahan yang disatukan dengan melakukan perlakuan tertentu. Sejumlah bahan tersebut antara lain; tembaga, kuningan, timah, grafit, karbon, kevlar,resin/damar, fiber dan bahanbahan aditif/tambahan lainnya. Terdapat dua tipe sistem rem yang digunakan pada kenderaan, yaitu: - Rem tromol (drum brake) Rem tromol merupakan sistem rem yang telah menjadi metode pengereman standar yang digunakan sepeda motor kapasitas kecil pada beberapa tahun belakangan ini. Alasannya adalah karena rem tromol sederhana dan murah. Konstruksi rem tromol umumnya terdiri dari komponenkomponen seperti: sepatu rem (brake shoe), tromol (drum),pegas pengembali (return springs), tuas penggerak (lever), dudukan remtromol (backplate), dan cam/nok penggerak. - Rem cakram/piringan (discbrake). Rem cakram dioperasikan secara mekanis dengan memakai kabel baja dan batang/tangkai secara hidrolik dengan memakai tekanan cairan. Pada rem cakram, putaran roda dikurangi atau dihentikan dengan cara penjepitan cakram (disc) oleh dua bilah sepatu rem (brake pads). Rem cakram mempunyai sebuah plat disc (plat piringan) yang terbuat dari stainless steel (baja) yang akan berputar bersamaan dengan roda. Pada saat rem digunakan plat disc

Teori Perancangan Poros Defenisi merancang adalah merumuskan suatu konsep dan ide yang baru atau merubah konsep dan ide yang sudah ada tersebut dengan cara yang baru dalam usaha memenuhi kebutuhan manusia. Dalam merancang terdapat beberapa aspek yang disebut dengan The Four C’s of Design, yaitu : - Creativity Memerlukan kreasi dan sesuatu hal yang belum ada sebelumnya atau belum ada dalam pemikiran perancang sebelumnya. - Complexity Memerlukan pengambilan keputusan terhadap banyaknya variabel dan parameter - Choise Memerlukan pilihan diantara berbagai macam kemungkinan solusi yang ada, dari konsep dasar sampai detail yang terkecil dari bentuk. - Compromise Memerlukan kompromi terhadap kebutuhan – kebutuhan desain yang salaing konflik. Dalam perancangan terdapat beberapa tahap yang harus dilalui sebelum rancangan mulai dimanufaktur. Tahapan desain yang pertama menurut Morris Asimow adalah Conceptual Design. Pada tahapan ini memerlukan kreatifitas yang besar dan terdapat ketidakpastian yang luas. Tahapan yang kedua adalah Embodiment Design dimana pada tahap ini dimulai pemilihan material, dimensi, geometri, serta kemungkinan terjadinya kegagalan. Tahapan yang ketiga adalah Detail Design yang disini merupakan pemeriksaan dari perancangan sebelum proses manufaktur. Tegangan dan defleksi adalah parameter yang harus diperhatikan pada perancangan poros. Defleksi sering menjadi parameter kritis, karena defleksi yang besar akan mempercepat keausan bantalan dan mengakibatkan terjadinya misalignment pada roda gigi, sabuk, dan rantai. Tegangan pada poros bisa dihitung hanya pada posisi tertentu yang ditinjau dengan mengetahui beban dan penampang poros. Tetapi, untuk menghitung defleksi yang terjadi, harus diketahui terlebih dahulu geometri seluruh bagian poros. Sehingga dalam merancang poros, pertama kali yang dilakukan berdasar tegangan yang terjadi, baru kemudian menghitung defleksi berdasar geometri yang telah ditentukan. Perancangan poros juga dipengaruhi hubungan frekuensi pribadi poros (pada pembebanan bending


5

dan torsi) terhadap frekuensi pembebanan terhadap waktu. Jika frekuensi pembebanan mendekati frekuensi pribadi poros, akan terjadi resonansi, sehingga timbul getaran, tegangan dan defleksi yang besar. Dalam perencanaan poros ada beberapa aturan umum yang harus diperhatikan, yaitu : - Untuk menimalisasi defleksi dengan tangan, poros diusahakan sependek mungkin dan meminimalisasi keadaan ‘overhang’. - Sebisa mungkin menghindari susunan batang kantilever, dan mengusahakan tumpuan sederhana, kecuali karena tuntutan perancangan. Hal ini karena batang kantilever akan terdefleksi lebih besar. - Poros berlubang mempunyai perbandingan kekakuan dengan massa (kekakuan spesifik) lebih baik dan frekuensi pribadi lebih besar dari pada poros pejal, tetapi harganya akan lebih mahal dan diameter akan lebih besar. - Usahakan menghindarkan kenaikan tegangan pada lokasi bending yang besar jika memungkinkan dan meminimalisasi efeknya dengan cara menambahka fillet dan relief. - Jika tujuan utamanya adalah meminimalisasi defleksi, baja karbon rendah baik untuk digunakan karena kekakuannya setinggi baja dengan harga yang lebih murah dan pada poros yang dirancang untuk defleksi, tegangan yang terjadi cenderung kecil. - Defleksi pada roda gigi yang terpasang pada poros tidak boleh melebihi 0.005 inch dan slope relatif antar sumbu roda gigi harus kurang dari 0.03 . - Jika digunakan plain bearing, defleksi poros pada arah sepanjang bantalan harus kurang dari tebal lapisan oli pada bantalan. - Jika digunakan non-self-alligning rolling element bearing, defleksi sudut poros pada bantalan harus dijaga kurang dari 0.04 . - Jika terjadi gaya aksial, harus digunakan paling tidak sebuah thrust bearing untuk setiap arah gayanya. Jangan membagi gaya aksial pada beberapa thrust bearing karena ekspansi termal pada poros akan mengakibatkan overload pada bantalan. - Frekuensi pribadi pertama poros minimal tiga kali frekuensi tertinggi ketika gaya terbesar yang daharapkan terjadi pada saat operasi. Semakin

besar akan semakin baik, tetapi akan semakin sulit untuk dicapai. Perhitungan Poros Poros selalu mengalami beban kelelahan, estimasi awal diameter diperoleh dari torsi yang ditularkan oleh poros. Jika P adalah daya nominal dari output penggerak mesin berbagai macam factor keamanan biasanya dapat diambil dalam perencanaan, sehingga korelasi pertama dapat diambil kecil. Jika faktor koreksi adalah Fc (table) maka daya rencana Pd sebagai patokan adalah: dimana : Pd = Daya yang direncanakan (kW) Fc = Faktor koreksi P = Daya mesin (W) Tabel Faktor-faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan Fc Daya yang akan di Fc transmisikan Daya rata-rata yang di perlukan 1,2 – 2,0 Daya maximum yang di 0,8 – 1,2 perlukan Daya normal 1,0 – 1,5 Hubungan antara daya dan torsi yang ditransmisikan oleh poros adalah sebagai berikut :

sehingga :

dimana : Mt = Torsi yang ditransmisikan oleh poros (Nm) Pd = Daya yang ditransmisikanoleh poros (kW) N = Putaran poros (rpm) ω = Kecepatan sudut (rad/s)

Hubungan antara tegangan geser dan torsi adalah sebagai berikut :

atau Dari persamaan 2.1 dan 2.2 :

atau


6

sehingga diperoleh :

dimana : d = Diameter poros (mm) Pd = Daya yang ditransmisikanoleh poros (W) = Tegangan geser (N/mm2) N = Putaran poros (rpm) Tegangan geser yang diijinkan a untuk pemakaian umum pada poros dapat diperoleh dengan berbagai cara, salah satunya yaitu dihitung dengan a mempertimbangkan faktor keamanan (Sf). Pergeseran sudut atau defleksi puntiran θ akibat momen torsi yang ditransmisikan oleh poros diberikan oleh :

dimana : θ = Defleksi puntiran Mt = Momen puntir (Nm) L = Panjang poros (m) G = Modulus geser ( N/m² ) dp = Diameter poros (m) Tegangan σ yang terjadi akibat pembebanan pada poros dapat dihitung dengan persamaan berikut :

dimana : σ = Tegangan (N/m2) W = Beban yang diterima poros (N) Defleksi δ yang terjadi pada poros akibat pembebanan dapat dihitung dengan persamaan berikut :

dimana : δ = Defleksi poros (m) E = Modulus elastisitas (N/m2)

Ansys Ansys adalah suatu perangkat lunak komputer umum yang mampu menyelesaikan persoalan-persoalan elemen hingga dari pemodelan hingga analisis. Ansys ini digunakan untuk mensimulasikan semua disiplin ilmu fisika baik statis maupun dinamis, analisis struktural (keduaduanya linier dan nonliner), perpindahan panas, dinamika fluida, dan elektromagnetik untuk para enginer.

Ansys dapat mengimport data CAD dan juga memungkinkan untuk membangun geometri dengan kemampuan yang "preprocessing". Demikian pula dalam preprocessor yang sama, elemen hingga model (jaring alias) yang diperlukan untuk perhitungan dihasilkan. Setelah mendefinisikan beban dan melakukan analisis, hasil dapat dilihat sebagai numerik dan grafis. Ansys bekerja dengan sistem metode elemen hingga, dimana penyelesaiannya pada suatu objek dilakukan dengan pendeskritisasian dimana membagi atau memecah objek analitis satu rangkaian kesatuan ke dalam jumlah terbatas elemen hingga yaitu menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan dihubungkan dengan node. Hasil yang diperoleh dari Ansys ini berupa pendekatan dengan menggunakan analisa numerik. Ketelitiannya sangat bergantung pada cara kita memecah model tersebut dan menggabungkannya. Secara umum, suatu solusi elemen hingga dapat dipecahkan dengan mengikuti 3 tahapan. Tahapan Ini merupakan panduan umum yang dapat digunakan untuk menghitung analisis elemen hingga. 1. Model generation: - Penyederhanaan, idealisasi. - Menentukan bahan/sifat material. - Menghasilkan model elemen hingga. 2. Solusi: - Tentukan kondisi batas. - Menjalankan analisisnya untuk mendapatkan solusi. 3. Hasil ulasan: - Plot/daftar hasil. - Periksa validitas 3. Perencanaan Poros Pada perencanaan ini yang menjadi data awal perencanaan adalah sebagai berikut : 1. Model dan dimensi mobil yang direncanakan Seperti yang diuraikan pada latar belakang, maka model mobil yang direncanakan adalah sebuah mobil dengan konsep klasik. Adapun model mobil yang direncanakan dan dimensi mobil yang direncanakan diberikan pada gambar di bawah ini.


7

Untuk memperoleh gaya-gaya yang diterima poros, maka terlebih dahulu ditentukan total bebannya. Adapun beban yang diterima poros adalah : Beban mobil = 250 kg Beban penumpang = 2 orang (@ 60 kg) = 120 kg Jadi beban total yang akan diterima pegas adalah 370 kg Diasumsikan faktor keamanan Fs = 2, dan percepatan gravitasi g = 10 m/s2. Maka diperoleh berat total FT = 370 kg x 2 x 10 m/s2 = 7400 N. Sehingga beban yang diterima pada poros belakang F adalah :

Perhitungan Poros

Panjang = 2100 mm Lebar = 830 mm Tinggi = 1300 mm Jarak antara sumbu roda = 1200 mm Berat kosong = 180 kg Jumlah penumpang = 2 orang 2. Mesin Mesin yang direncanakan sebagai tenaga penggerak mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Jenis =Motor Besin 4 langkah Jumlah silinder = 1 silinder Volume silinder = 150 cc Daya = 16 HP Putaran mesin = 9500 rpm Berat mesin = 70 kg Jenis Jumlah silinder Volume silinder Daya Putaran mesin Berat mesin

=Motor Besin 4 langkah = 1 silinder = 150 cc = 16 HP = 9500 rpm = 70 kg

3. Material Poros Material poros yang direncanakan adalah baja struktural. Sifat mekanik dari baja struktural diambil dari enginering data yang ada pada perangkat lunak Ansys Workbench 14.0, yaitu : Modulus Young = 2 x 1011 Pa = 2 x 105 N/mm2 Density = 7850 kg/m3 = 7.85 x 10-6 kg/mm3 Poisson’s ratio = 0.3 Ultimate strength = 4,6 x 108 Pa = 460 N/mm2 Modulus Shear = 7,6923 x 010 Pa =7,6923 x 104 N/mm2 4. Beban yang diterima poros

Jika P adalah daya nominal dari output penggerak mesin berbagai macam faktor keamanan biasanya dapat diambil dalam perencanaan, sehingga korelasi pertama dapat diambil kecil. Harga factor koreksi Fc yang diambil adalah 1,5. Daya mesin P adalah 16 HP = 11,9312 kW. Maka daya rencana Pd sebagai patokan adalah: Pd = Fc . P = 1,5 x 11,9312 kW = 17,8968 kW Setelah diperoleh daya yang direncanakan untuk poros, maka untuk menghitung torsi yang direncanakan pada poros digunakan persamaan 2.1.

m Besarnya Tegangan geser a yang diijinkan pada poros dapat diperoleh dari : dimana : σmax = 460 N/mm2 Sf = 0,5 diperoleh : Setelah diperoleh tegangan geser yang diijinkan untuk poros, maka untuk menghitung diameter poros yang direncanakan digunakan persamaan 2.3.

dimana : Pd = 17896,8 W = 230 N/mm2 a N = 9500 rpm diperoleh :


8

Diameter dari hasil perhitungan merupakan diameter minimum yang diijinkan. Untuk menyesuaikan dengan roda yang akan digunakan, maka diameter poros yang direncanakan dp = 38 mm. Setelah diperoleh diameter poros yang direncanakan, maka perlu dikoreksi tegangan geser pada poros, apakah tegangan geser yang terjadi tidak melebihi tegangan ijin.

Syarat aman untuk kekuatan poros adalah σa ≥ σ. Dari hasil perhitungan memberikan bahwa tegangan ijin lebih besar dari tegangan yang direncanakan. Maka kekuatan poros dianggap aman.

Defleksi yang terjadi pada poros akibat pembebanan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.6.

dimana : W = 1850 N L = 590 mm E = 2 x 105 N/mm2 maka :

Syarat aman untuk kekuatan poros adalah τa ≥ τ. Dari hasil perhitungan memberikan bahwa tegangan ijin lebih besar dari tegangan yang direncanakan. Maka kekuatan poros dianggap aman. 4. Simulasi Dan Pembahasan Kemudian merujuk kepada dimensi rangka mobil, maka pajang poros LT yang direncanakan adalah 1180 mm. Model dan dimensi poros yang direncanakan diberikan pada gambar di bawah ini.

Pembuatan modeling Pemodelan poros dilakukan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Autocad 2013. Hasil pemodelan poros diberikan pada gambar di bawah ini.

Tegangan lentur yang terjadi pada poros akibat pembebanan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini.

Simulasi menggunakan ansys workbench

dimana :

maka :

Untuk membuka Ansys Workbench 14.0 dimulai dengan mengklik start menu  Ansys Workbench. Seperti yang telah dijelaskan pada batasan masalah, bahwa Simulasi yang digunakan dalam analisa adalah Static Structural. Maka langkah selanjutnya adalah dengan mengklik Static Structural pada toolbox. Engineering Data adalah fitur yang bertujuan untuk menentukan jenis material yang digunakan pada objek yang akan dianalisa. Jenis material yang digunakan pada poros adalah Struktural Steel. Langkah yang dilakukan pada tahap ini adalah dengan mengklik dua kali pada Engineering Data  Structural Steel  Return to Project. Fitur Geometry adalah fasilitas yang diberikan Ansys Workbench yang bertujuan


9

untuk mendesain sebuah model yang akan dianalisa. Dalam kasus ini model didesain dengan menggunakan perangkat lunak Autocad 2013. Yang dilakukan untuk menampilkan hasil pemodelan tersebut adalah : Mengklik kanan pada Geometry  Import Geometry  Browse  Pilih Geometry yang sudah di desain menggunakan Autocad 2013. Setelah selesai mengimport geometry, maka pada geometry akan muncul tanda centang (√). Untuk memunculkannya pada layar Design Modeler, maka klik dua kali pada Geometry  Generate. Untuk melanjutkan ke tahapan Model maka harus keluar terlebih dahulu dari jendela design modeler dengan mengklik pada menu File  Close design modeler. 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 Mesh  Generate Meshing Analisys model akibat pembebanan terdiri dari Total Deformation, dan Equivalent Stress. Langkah – langkah yang dilakukan adalah : Memberikan pembebanan (Force) Klik kanan pada Static Structural (A5)  Pilih Force  Klik Surface  Define by Component  Arah Y  isikan 3700 N. Memberikan tumpuan (Fixed Support) Klik kanan pada Static Structural  Fixed Support  Klik bagian yang akan dijadikan tumpuan pada model. Menentukan Solution Klik kanan pada Solution (A6)  Insert  Total Deformation, dan Equivalent Stress. Melihat hasil simulasi (Solve) Untuk melihat hasil simulasi klik Solve Hasil simulasi yang memperlihatkan Total Deformation dan Equivalent Stress berturut – turut diberikan pada gambar di bawah ini.

Pembahasan Berdasarkan hasil simulasi menggunakan Ansys Workbench 14.0 defleksi yang terjadi akibat pembebanan seperti yang diberikan gambar 4.18 yaitu sebesar 0,00037743 m atau 0,37743 mm, sedangkan berdasarkan hasil perhitungan yaitu sebesar 0,39 mm. Tegangan maksimum yang terjadi akibat pembebanan berdasarkan hasil simulasi seperti diberikan gambar 4.15 yaitu sebesar 2,0521 x 108 Pa atau 205,21 N/mm2, sedangkan berdasarkan hasil perhitungan yaitu sebesar 202 N/mm2. Besarnya defleksi dan tegangan pada poros berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi diberikan pada tabel di bawah ini.

Properti

Perhitunga n

imulas i

Maksim al

Tegangan( σ)

202 N/mm2

230 N/mm2

Defleksi (δ)

0,39 mm

205,21 N/mm2 0,3774 3 mm

5. Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan simulasi menggunakan perangkat lunak Ansys Workbench 14.0, diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Dimensi poros yang direncanakan : Diameter poros (dp) = 38 mm Panjang poros (LT) = 1180 mm 2. Material poros yang direncanakan adalah baja struktural. 3. Besarnya tegangan geser yang direncanakan (τ) = 1,67 N/mm2 4. Besarnya tegangan lentur yang direncanakan (σ) = 202 N/mm2 5. Besarnya defleksi pegas yang direncanakan (δ) = 0,39 mm 6. Equivalent Stress (σ) dari hasil simulasi = 205,21 N/mm2 7. Total Deformation (δ) dari hasil simulasi = 0,37743 mm Saran


10

1. Untuk pengembangan lebih lanjut, akan lebih baik jika dilakukan analisa kekuatan poros pada kondisi beban dinamis 2. Bagi yang ingin melakukan pabrikasi, akan lebih baik jika beban yang akan diterima pegas ditinjau ulang. Jika diameter poros

yang direncanakan tidak sesuai dengan kondisi yang ada, maka diameter poros yang dipakai harus lebih besar dari yang direncanakan.


11

PERANCANGAN POROS RODA DEPAN UNTUK MOBIL HARAPAN DAN ANALISA SIMULASI PEMBEBANAN STATIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK ANSYS 14.0

Recommend Documents