RANCANGAN SISTEM TRAKSI MOTOR BLDC (BRUSHLESS DIRECT CURRENT) PADA SISTEM KONVERSI KENDARAAN HIBRID BAHAN BAKAR GAS (BBG) - LISTRIK DTM UI

RANCANGAN SISTEM TRAKSI MOTOR BLDC (BRUSHLESS DIRECT CURRENT) PADA SISTEM KONVERSI KENDARAAN HIBRID BAHAN BAKAR GAS (BBG) - LISTRIK DTM UI Mohamad Afin Faisol, Gandjar Kiswanto, R. Danardono A.S Departemen Teknik Mesin FTUI, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia [email protected]

Abstrak Penggunaan BBM untuk kendaraan bermotor di Indonesia meningkat setiap tahunnya. Pada tahun 2010, jumlah subsidi BBM 88.89 triliun rupiah, dan pada tahun 2012 dapat mencapai 178.6 triliun rupiah. Mobil hibrid BBG-listrik merupakan alternatif yang mampu mengkombinasikan sistem penggerak motor bakar dan motor listrik dengan mengambil keuntungan dari tiap komponennya. Penelitian ini menunjukkan hasil rancang bangun untuk sebuah sistem traksi kendaraan hibrid BBG-Listrik berpenggerak roda belakang dan model MPV. Sistem traksi tersusun oleh motor BLDC dengan daya operasional 10 kW dengan transmisi timing belt dan pulley jenis HTD 8M. Performa sistem traksi pada saat mengalami pembebanan statis dan modal telah memenuhi standar kelayakan dengan nilai safety factor melebihi angka 3.975 dan defleksi terbesar pada saat menerima beban bergerak sebesar 0.13 mm.

Design of BLDC (Brushless Direct Current) Motor Traction System for Compressed Natural Gas (CNG) -Electric Based Hybrid Car Conversion System Abstract The use of fuel for motor vehicles in Indonesia is increasing every year. In 2010, the number of fuel subsidy is about 88.89 trillion rupiahs, and in 2012 to reach 178.6 trillion rupiah. CNG-electric hybrid car is an alternative propulsion system combines an electric motor and a combustion engine by taking benefits of each component. This study shows the results for a design of traction system for CNG-Electric hybrid vehicles which rear wheel driven and MPV models. Traction system composed of BLDC motor with 10 kW operating power with timing belt and pulley transmission type HTD 8M. Traction system performance while experiencing static loading and capital in compliance with the industry standards exceed the value of the safety factor is 3.975 and the largest deflection when the load moves received by 0,13 mm. Keywords : CNG-Electric Hybrid Car; Conversion System; Traction System; BLDC Motor

I. Pendahuluan Penggunaan BBM untuk kendaraan bermotor di Indonesia meningkat setiap tahunnya berdasarkan pertumbuhan jumlah kendaraan bermotor di Indonesia. Hal ini mempengaruhi konsumsi BBM per tahunnya yang meningkat [1]. Pada tahun 2010, jumlah subsidi BBM 88.89 triliun rupiah, sedangkan untuk tahun 2011 sebesar 165.2 triliun rupiah, dan pada tahun 2012 diperkirakan mencapai 178.6 triliun rupiah [2].

1

Rancangan sistem…, Mohamad Afin Faisol, FT UI, 2013

Konversi sumber energi penggerak kendaraan alternatif berupa listrik merupakan sebuah wacana yang diangkat akhir – akhir ini. Akan tetapi, kelebihan yang dimiliki oleh mobil listrik ini masih memiliki beberapa kendala, yaitu kurangnya infrastruktur yang menunjang pengisian baterai/sumber energi kendaraan elektrik, dan juga jarak tempuh kendaraan elektrik yang masih terbatas, hanya mencapai rata – rata 100-200 km. Kendaraan hibrid pada umumnya mengkombinasikan sistem penggerak motor bakar dan motor listrik yang dapat meningkatkan jarak tempuh kendaraan[4]. Keuntungan dari kendaraan berpenggerak motor listrik yaitu penggunaan energi yang efisien tetapi memiliki kelemahan yaitu jarak tempuh yang pendek dan stasiun pengisian yang terbatas. Sedangkan kendaraan berpenggerak motor bakar dapat mengatasi permasalahan jarak tempuh tersebut, dengan konsekuensi efisiensi konsumsi bahan bakar yang rendah. Rencana pemerintah dalam mengurangi pemakaian BBM dengan melakukan konversi dari BBM menuju BBG juga merupakan sebuah program yang dapat menjadi alternatif dalam pengembangan rencana penggunaan sumber daya alam yang tersedia sebagai bahan bakar untuk alat transportasi. Melalui program MP3EI pemerintah memfokuskan strategi pembangunan pada pengembangan koridor ekonomi, penguatan konektivitas nasional dan mempercepat kemampuan SDM dan pengembangan IPTEK nasional. Oleh karena itu universitas-universitas terkemuka nasional dituntut aktif terlibat dalam melalui penelitian yang mendukung pembangunan nasional. Departemen Teknik Mesin UI, melalui program MP3EI tersebut mengajukan sebuah program konversi kendaraan MPV dengan bahan bakar BBM menjadi sebuah kendaraan hibrid berpenggerak BBG-Listrik. II. Tinjauan Teoritis Kendaraan Hibrid Istilah hybrid vehicle atau kendaraan hibrid merupakan istilah umum yang digunakan untuk mendefinisikan kombinasi dari dua jenis metode untuk menggerakkan atau mempropulsi kendaraan. Kombinasi yang umum digunakan dalam konsep kendaraan hibrid adalah diesel/listrik, gasoline/flywheel dan fuel cell (FC)/baterai.

2


Beberapa kelebihan dari kendaraan hibrid yang membuatnya menjadi lebih menguntungkan dari segi operasional ketimbang kendaraan berbahan bakar BBM atau kendaraan listrik diantaranya adalah : 1. Emisi karbon yang sangat rendah 2. Jarak tempuh yang lebih jauh dari pada kendaraan berbahan bakar BBM ataupun kendaraan listrik 3. Secara ekonomis lebih irit dari pada kendaraan berbahan bakar BBM saja Konfigurasi motor bakar dan motor BLDC yang digunakan pada mobil hibrid terbagi menjadi tiga jenis: 1. Konfigurasi Seri 2. Konfigurasi Parallel 3. Konfigurasi Seri-Parallel [5] Bahan Bakar Gas, LGV dan CNG Terdapat dua jenis bahan bakar gas yang digunakan secara komersil di Indonesia. Pertama adalah Liquified Gas for Vehicle (LGV) atau mungkin lebih dikenal oleh masyarakat dengan istilah LPG atau elpiji. Sesuai dengan namanya, LGV adalah gas yang disimpan dalam fasa cair, sehingga dalam penggunaannya pada kendaraan perlu diuapkan terlebih dahulu. Khusus untuk keperluan bahan bakar kendaraan, produk PT.Pertamina jenis ini diberi nama Vi-Gas dan dijual dengan harga Rp. 5.600 per liter setara premium. Jenis gas yang kedua adalah Compressed Natural Gas (CNG), berbeda dengan LGV, gas disimpan dalam fasa tetap gas pada tekanan yang sangat tinggi yaitu mencapai 200 Bar. Dalam sebuah riset yang dilakukan oleh Fethia Amrouche dikatakan bahwa CNG adalah jenis gas yang paling banyak digunakan dalam kendaraan roda empat berbahan bakar gas. Pada tahun 2009 telah terdapat 10.5 juta kendaraan yang berjalan menggunakan CNG di seluruh dunia, 15.800 stasiun pengisian CNG telah didirikan dan nilai konsumsi CNG adalah sebesar 27.5 juta toe/tahun [6].

3


Tabel 1. Perbedaan Karakteristik BBM, LPG dan CNG [10] No.

Karakteristik

Premium

LPG (Vi-Gas)

CNG (BBG)

C8H8

C3H8

CH4

752

1,5

0,6

1.

Komposisi

2.

Densitas (kg/ m3)

3.

Berat molekul (kg/mol)

114,8

44,09

17.51

4.

Nilai kalori (kj/kmol)

45.95

46.36

47.476

5.

AFR stoikiometri

14,57

15,6

16,15

6.

Temperatur penyalaan

360

460

521,4

20-40

0,82

0,66

88

110

130

minimal (OC) 7.

Kecepatan nyala (m/detik)

8.

Nilai oktan

Tabel 1. Perbandingan BBG dan Vi-Gas [11] BBG CNG lebih ekonomis dan bersih

Vi-Gas Jenis bahan bakar hidrokarbon, lebih ringan dari bensin

Investasi awal lebih mahal

Investasi awal lebih murah

Biaya operasional lebih murah

Biaya operasi lebih tinggi

Tenaga yang dihasilkan lebih rendah

Tenaga yang dihasilkan lebih besar

Perawatan lebih jarang

Perawatan lebih sering

Tangki penyimpan besar dan berat

Tangki penyimpan lebih kecil dan ringan

Ketersediaan terbatas

Ketersediaan lebih banyak

Umumnya digunakan pada kendaraan komersial

Lebih banyak untuk mobil pribadi

Motor BLDC Motor BLDC merupakan salah satu tipe motor sinkron. Medan magnet yang dihasilkan oleh stator dan medan magnet yang dihasilkan oleh rotor berputar pada frekuensi yang sama. Motor BLDC juga tidak mengalami slip seperti yang banyak terjadi pada motor induksi. BLDC umumnya memiliki fase tunggal, dua fase atau tiga fase. Banyaknya lilitan pada stator bergantung kepada banyaknya fase tersebut. Mayoritas motor BLDC yang ada di pasaran memiliki tiga fase [9].

4


Salah satu karakteristik motor BLDC adalah memiliki profil kecepatan dan torsi yang stabil. Pada operasionalnya, motor BLDC dapat dibebani dengan torsi konstan hingga mencapai nilai rated torque (Tr) nya. Sepanjang kecepatan putaran masih di bawah nilai rated speed nya, maka nilai torsi dapat dijaga konstan. Motor dapat dioperasikan hingga mencapai 150% dari rated speed nya, namun pada saat itu torsi akan mulai menurun sesuai pertambahan kecepatan.

Gambar 1. Kurva karakteristik motor BLDC [9]

Secara umum, motor BLDC dapat dikatakan lebih memiliki banyak keuntungan daripada motor DC biasa dan motor induksi. Kurva karaktersitik yang lebih baik, respon dinamik yang lebih baik, efisiensi yang tinggi, waktu pakai lebih lama serta kebisingan yang randah. Kelebihan tersebut membuat motor BLDC lebih cocok untuk digunakan dalam berbagai aplikasi terutama pada proyek pengembangan kendaraan hibrid BBG-Listrik DTM UI. III. Desain Sistem Traksi Pada gambar di bawah ini, lingkaran yang di sebelah kiri adalah konfigurasi sistem mekanik untuk dudukan (mounting) motor BLDC versi I (posisi di depan). Konfigurasi Sistem Traksi Motor BLDC Mounting Motor BLDC Versi II

Mounting Motor BLDC Versi I -‐ Rangka utama -‐ Pelat pemegang Motor BLDC -‐ Pelat penyangga pada rangka utama kendaraan -‐ Baut pengunci

Transmisi -‐ Pulley -‐ Synchronous Belt

-‐ Rangka utama -‐ Clamp pada selubung axle shaft -‐ Pelat pemegang Motor BLDC -‐ Pelat penyangga pada gardan -‐ Baut pengunci

Gambar 1. Konfigurasi sistem mekanik

5


Sedangkan lingkaran di sebelah kanan adalah konfigurasi untuk mounting versi II (posisi belakang). Sistem transmisi berada pada irisan kedau lingkaran tersebut, menunjukkan bahwa kedua desain mounting tersebut sama-sama menggunakan transimisi pulley dan synchronous belt. Sistem Traksi Versi Depan (I) Dudukan motor BLDC versi depan ini menggunakan rangka yang terbuat dari gabungan pelat baja dan baja dengan profil L. Baja dengan bentuk pelat digunakan sebagai pegangan langsung kepada motor BLDC.

Gambar 3 Desain sistem traksi motor BLDC versi depan (I)

Profil/bentuk dari pelat baja tersebut dimodifikasi sesuai dengan kontur dari rangka melintang pada chassis asli kendaraan sehingga dapat langsung disambung ke rangka melintang tersebut. Selain baja dengan bentuk pelat, digunakan pula baja dengan profil L. Baja dengan profil L tersebut dihubungkan dengan motor BLDC melalui mekanisme sambungan mur dan buat. Baja dengan profil L tersebut dibentuk sedemikian rupa dengan metode pengelasan sehingga pada satu bagiannya memegang motor BLDC, sedangkan bagian lainnya terikat pada chassis di sebelah kanan motor BLDC. Tambahan rangka dengan baja berprofil L ini bertujuan untuk mengantisipasi gaya akibat putaran motor BLDC dan pulley yang arahnya horizontal/mendatar. Sistem Traksi Versi Belakang (II) Berbeda dengan versi pertama, pada versi kedua ini dudukan motor BLDC tidak terhubung sama sekali dengan chassis. Sebagai pengganti chassis, dudukan di tempatkan 6


pada selubung dari poros roda belakang. Posisi tersebut dipilih karena motor BLDC harus bisa mengikuti gerakan gardan pada saat leaf spring merapat ataupun meregang.

Gambar 4. Desain sistem traksi motor BLDC versi belakang (II)

Rangka untuk dudukan motor BLDC pada versi kedua ini terdiri dari tiga bagian utama. Pertama adalah clamp pada poros roda belakang. Kedua, rangka utama dari dudukan. Terakhir adalah pelat penyangga motor BLDC. Untuk rangka utama dan pelat penyangga motor BLDC memiliki fungsi yang sama seperti pada desain versi pertama. Pelat penyangga adlaah komponen yang bersentuhan langsung dengan motor BLDC dan mengikatnya pada rangka utama. Pelat penyangga untuk motor juga dibuat dair baja berbentuk pelat yang bentuknya disesuaikan dengan fitur geometris motor BLDC. Sedangkan rangka utama terbuat dari baja dengan profil L dan U ukuran 50x50 dengan tebal 5 mm. Pembeda antara komponen dudukan motor pada versi ini dengan versi sebelumnya selain pada bentuk dari kedua komponen yang telah disebutkan sebelumnya adalah pada komponen clamp. Clamp digunakan untuk mengikatkan dudukan motor pada selubung poros roda belakang. Clamp digunakan karena sambungan pada bagian tersebut tidak boleh bersifat permanen. Clamp dibuat dari pelat baja yang disusun sedemikian rupa mengikuti kontur permukaan dari selubung poros roda belakang. Sambungan antara pelat pada clamp dapat bersifat permanen, sehingga dapat digunakan proses pengelasan Tabel 2. Perbandingan detail desain dudukan motor BLDC No

Parameter

Versi I

Versi II

7


Cukup sulit, ruangan terbatas. 1

Mudah, posisi yang ditempati bebas dari

Kemudahan instalasi

komponen lain.

2 3 4

Ketinggian motor dari permukaan tanah

Rendah, perlu proteksi

Tinggi, dan terhalang oleh

tambahan di bagian bawah

gardan.

motor BLDC.

Ketersediaan material Proses manufaktur

Banyak dan mudah.

Banyak dan mudah.

Relative mudah, kecuali pada

Relatif mudah, tidak perlu

pulley yang membutuhkan

adanya proses manufaktur

flange.

secara khusus.

5

Proses assembly

Cukup sulit

Mudah

6

Jumlah komponen

Lebih sedikit

Cukup banyak

Modifikasi pada

Banyak

Relatif sedikit

ECU untuk motor BLDC dekat

ECU untuk motor BLDC

dengan posisi motor.

berada jauh dair motor

7

komponen asli (chassis, propeller shaft dll

8

Kontrol

BLDC. 9

Sumber tenaga

10

Tampilan

Posisi baterai jauh dair motor

Posisi baterai dekat dari

BLDC.

motor BLDC.

Kompak

Kompak

Berdasarkan tabel komparasi di atas maka dapat diambil keputusan bahwa desain versi belakang (II) adalah desain yang dipilih untuk dimanufaktur dan diaplikasikan pada kendaraan hibrid.

IV. Analisa Desain Mekanik Skema Pembebanan Sistem traksi dalam desain ini dibuat untuk menahan beban dari motor BLDC dan putarannya saat menggerakkan transimi. Agar dapat dianalisa dengan benar, sebelumnya

8


perlu diketahui terlebih dahulu berapa besar gaya-gaya yang bekerja pada keseluruhan sistem. Gaya-gaya yang dimaksud terdiri dari : 1. Berat dari motor BLDC 2. Berat dari rangka keseluruhan 3. Berat pulley pada poros motor BLDC 4. Torsi yang bekerja pada pulley Gaya yang pertama adalah berat motor BLDC. Dengan melakukan pengukuran menggunakan timbangan telah diperoleh nilai dari massa motor BLDC yaitu 167 N. Gaya kedua adalah gaya berat dari rangka dudukan motor BLDC secara keseluruhan. Besar gaya dari berat rangka adalah 233. 5 N. Gaya ketiga adalah berat dari pulley yang terpasang pada poros motor BLDC. Besar gaya dari berat pulley adalah 80.5 N. Gaya yang terakhir adalah torsi pada pulley akibat putaran motor BLDC. Berdasarakan simulasi pembebanan dan scenario akselerasi mobil pada kecepatan 30 km/jam. Didapatkan nilai torsi yang bekerja adalah sebesar 29.5 Nm. a. Kekuatan Pelat Pemegang Motor BLDC

Gambar 5. FBD pelat penyangga

Gaya F1 adalah gaya berat dari motor BLDC yang besarnya adalah 167 N dan mengarah ke sumbu-y negative. Sedangkan gaya F2 adalah gaya akumulasi dari berat pulley dan gaya tegangan belt saat motor berputar. Nilai untuk masing masing gaya tersebut adalah 80.5 N (pulley) dan 701.5 N (gaya tegangan belt). Sehingga nilai total untuk F2 adalah 782 N. Perhitungan secara analitik dilakukan dengan mengikuti tahapan sebagai berikut : !! = 0 ………………………………….….(4.1)

9


!! = 0 ………………………………….….(4.2) Direct Shear Load

= (F1 + F2) / 6 = (167 + 782) / 6 = 159.7 N !! = 0 ……………………………………(4.3)

Turning Moment = (F1 x 80) – (F2 x 25) =(167 x 80) –(782 x 25) = 6200.7 N-mm Total gaya yang bekerja pada masing masing tumpuan adalah seperti yang dijelaskan dalam Tabel 4 berikut. Tabel 3. Tabel Nilai Von Mises Stress pada Tumpuan di Pemegang Motor BLDC Komponen

Tumpuan kanan atas Tumpuan kiri atas Tumpuan kanan bawah Tumpuan kanan bawah Tumpuan kiri bawah Tumpuan kiri bawah

Axial Tensile Stress (σ)

Shear Stress (σ)

von Mises Stress

Mpa

Mpa

Mpa

0.07

1.47

2.95

0.07

1.40

2.80

0.00

1.47

2.95

0.00

1.47

2.95

0.00

1.40

2.80

0.00

1.40

2.80

Selain analisa secara manual, dilakukan pula analisa dengan menggunakan software Autodesk Simulation.

10


Gambar 6. Grafik von Mises Stress simulasi pada pelat penyangga

Pembebanan yang dialami oleh pelat penyangga, baik itu setelah dikalkulasi secara analitis ataupun dengan simulasi pada software menghasilkan desain yang aman. Namun ada perbedaan cukup mencolok dimana hasil simulasi menghasilkan angka mencapai 19 MPa pada salah satu tumpuan sedangkan hasil analitis menghasilkan angka yang rendah yaitu 2.95 MPa Lendutan Rangka Utama

Gambar 7. Free body diagram sambungan pelat penyangga motor BLDC dan rangka

Beban pada pelat pemegang motor depan dalah 158.08 N ke arah sumbu-y negative. Sedangkan pada pelat pemegang belakang adalah 166.55 N. Selain gaya kea rah sumbu-y negative, terdapat juga gaya dengan arah ke sumbu-z dengan nilai cukup kecil yaitu sebesar 7.52 N !! = 0 ………………….…………….…….(4.4)

11


Direct Shear Load (Pelat penyangga depan)

= 7.52 / 2 = 3.76 N

Direct Shear Load (Pelat penyangga belakang)

= 7.52 / 2 = 3.76 N

!! = 0 ………………………………..…….(4.5) Direct Tensile Load (Pelat penyangga depan)

= 158.08 / 2 = 79.04 N

Direct Tensile Load (Pelat penyangga belakang)

= 166.55 / 2 = 83.27 N

!! = 0 ………………………………….…(4.6) Momen dihitung berdasarkan titik O yang

berada didekat tumpuan kiri. Untuk

perhitungan kali ini momen akibat gaya geser diabaikan karena tidak berada pada satu bidang kerja. Hal tersebut dilakukan untuk mempermudah perhitungan. Turning Moment (Pelat penyangga depan) = F x 135 mm = 158.08 x 135 = 10670.2 N-mm Turning Moment (Pelat penyangga belakang) = F x 135 mm = 166.55 x 135 = 11241.94 N-mm Apabila digunakan baut dengan ukuran 8 mm sebagai media penyambung, maka akan diperoleh luas permukaan yang terkena tekanan dari beban sebesar 50.24 mm2. Dengan 12


menerapkan rumus P = F/A untuk mendapatkan tensile dan shear stress maka nilai dari masing masing tumpuan tersebut adalah. Pelat penyangga depan Axial Tensile Stress (σ)

: 1.64 MPa

Shear Stress (τ)

: 0.07 MPa

Pelat penyangga belakang Axial Tensile Stress (σ)

: 1.73 MPa

Shear Stress (τ)

: 0.07 MPa

Berdasarkan kedua nilai tersebut maka diperolehlah nilai von Mises Stress pada masing masing tumpuan sebesar !! = (!! ! + !! ! − 2!! !! )!.! ……….….(4.7) Pelat penyangga depan

: 1.65 MPa

Pelat penyangga belakang

: 1.74 MPa

Simulasi dengan menggunakan software Autodesk Simulation Multiphysic 2013 digunakan untuk memvalidasi hasil perhitungan.

Gambar 8. Grafik Displacement dan von Mises Stess pada sumbu-y simulasi pada sambungan pelat penyangga

Dari hasil simulasi di atas tampak bahwa pada posisi tumpuan pelat penyangga yang telah diberi baut nilai von Mises Stress yang terbaca sangat kecil. Nilai yang terukur berkisar di 0.5-1.5 MPa. Nilai tersebut sanga dekat dengan hasil perhitungan secara analitik dimana nilai yang diperoleh adalah 1.65 dan 1.74 MPa. Perbedaan nilai yang kecil tersebut mengindikasikan kesesuaian hasil simulasi dan perhitungan.

13


Desain Clamp (Penjepit Pada Selubung Poros Roda Belakang) Pada gambar di atas tampak bahwa clamp yang ilustrasikan sebagai tumpuan dengan warna biru menyangga beban dari motor dan pulley yang telah ditransfer pada pelat-pelat pemegangnya ke rangka utama. Seluruh gaya tersebut disangga oleh sambunan baut dan mur sebanyak 4 buah.

Gambar 9. Free body diagram rangka utama

!! = 0 ………………………………..……(4.8) 0

= 75.87 - RAH - RBH

75.87 = RAH + RBH Dikarenakan gaya geser pada kedua bagian tumpuan tersebut diasumsikan sama, maka : RAH = RBH = 75.87/2 RAH = RBH = 37.93 N !! = 0 ………………………………….…(4.9) 0

= 79.04+ 83.27 + 166.55 - RAV - RBV 328.86 = RAV + RBV ………………..……(4.10) !! = 0 ……………………………..……(4.11) 14


18460.05 = 24RAV + 74.5 RBV ……………(4.12) Dengan mensubstitusakan persamaan (4.10) yang diperoleh sebelumnya maka persamaan di atas menjadi 18460.05 = 24(328.86 - RBV=) + 74.5 RBV 10567.41 = 50.5 RBV RBV

=

204.25 N

Dengan mengembalikan nilai RBV ke persamaan (8) maka akan diperoleh RAV

= 119.60 N

Besar gaya yang diperoleh untuk tiap dudukan adalah sebagai berikut. RAH

= 37.93 N

RBH

= 37.93 N

RAV

= 119.60 N

RBV

= 204.25 N Dengan mengasumsikan bahwa baut yang digunakan untuk menyangga tersebut

menggunakan baut ukuran 10 mm masing-masing dua buah pada posisi A dan B Tabel 5. Tabel von Mises Stress yang Bekerja pada Clamp Tumpuan

Axial Tensile Stress (σ)

Shear Stress (σ)

von Mises Stress

Mpa

Mpa

Mpa

A

1.30

0.24

1.39

B

1.30

0.24

1.39

Simulasi dengan menggunakan software Auodesk Simulation Multiphysic 2013 digunakan untuk memvalidasi hasil perhitungan.

15


Gambar 10. Grafik von Mises Stress simulasi pada clamp

Dari hasil kalkulasi analitis maupun simualsi tampak bahwa pada tumpuan temapt sambungan baut dan mur berada memiliki nilai von Mises Stress yang kecil. Pada hasil analitik diperoleh nilai 1.39 MPa. Sedangkan dari simualsi diperoleh nilai 2 MPa. Nilai yang tidak berbeda jauh sehingga dirasa hasil sumilasi dan analitik dapat dipergunakan sebagai landasan dalam menentukan kapasitas desain. Desain Pulley dan Belt Pulley dan belt adalah salah satu metode selain gear dan rantai untuk mentransmisikan daya. Belt yang digunakan dalam analisa ini adalah belt jenis HTD 8M dengan pitch sebesar 8 mm. Sedangkan pulley yang digunakan terbuat dari steel dan asumsi jarak antar pusat pulleynya adalah 228 mm. Berdasarkan alur perhitungan pada buku perancangan elemen mesin karya Sularso diperoleh rancangan pulley dan belt untuk sistem transmisi sebagai berikut. Daya yang bekerja = P x fc………………………..… (4.12)

Pd = 7 x 1.9 = 13.3 kW Menggunakan rumus ! =

! ! !" ! ! !

maka besar torsi untuk setiap poros adalah :

Torsi motor

: 21058.35 kg-mm

Torsi prop.shaft

: 12954.2 kg-mm 16


!! =

!.! !!

! !" ! !" ! !

!/!

……………..…(4.13)

Nilai Kt berkisar pada angka 1.0-3.0. Nilai 1.0 adalah untuk poros dengan beban yang halus. Sedangkan 1.0-1.5 untuk poros dengan sedikit kejutan dan beban. Nilai 1.5-3.0 digunakan pada poros dengan beban berat dan kejutan yang sering [18]. Nilai Cb diperoleh dari perkiraana atas mungkin terjadi atau tidaknya beban yang mengakibatkan lenturan. Nilai 1.0 digunakan apabila dalam desain tidak ada kemungkinan terjadinya beban lentur. Sedangkan nilai 1.2-2.3 digunakan untuk pemakaian poros yang memungkinkan terjadiinya beban lentur [18]. Dengan memasukkan nilai koefisien di atas ke dalam persamaan maka besar poros minimum untuk tiap pulley adalah : Poros motor

: 42.04 mm

Poros prop.shaft

: 35.76 mm

Nilai tersebut dibulatkan ke nilai 44 mm dan 36 mm. Persamaan yang digunakan untuk mendapatkan besar diameter pulley sesuai jumlah gerigi adalah : D = (p x z)/π ……………………….…….(4.14) Diamater untuk pulley motor

: 101.91mm

Diameter untuk pulley propeller shaft

: 62.9 mm

!! =

!! ! !! !

+ 2!! +

! ! ! [ !!.!" ! ]!

!!

………………(4.13)

Cp adalah nilai hasil pembagian antara jarak sumbu dengan pitch dari gerigi. Cp

= C/p …………………………...… (4.14)

= 228 / 8 = 28.5

17


40 − 24 [ 6.28 ]! 40 + 24 !! = + 2 ! 28.5 + 2 28.5 Lp = 89.23 Nilai Lp adalahbanyaknya gerigi pada belt yang dibutuhkan. Jika dicocokkan dengan ketesediaan jenis belt tersebut di pasaran. Maka jumlah gerigi pada belt yang sesuai adalah 90. Proses selanjutnya adalah mengkoreksi jarak antar pulley yang sehaurusnya berdasarkan panjang belt yang telah diperoleh. Persamaan untuk mendapatkan jarak antar pulley tersebut adalah: !

!! = !

!

!! = !

90 −

! −

!"! !" !

!! ! !! !

+

+

90 −

! −

!! ! !! ! !

!"! !" ! !

−

−

! !.!"

! !.!"

(!! − !! )!

………(4.15)

(40 − 24)!

!! = 29.11 Jarak antra pulley yang dibutuhkan adalah : ! = !! ! ! ……………………………….…(4.16) ! = 29.11 ! 8 ! = 232.89 !! -------- pembulatan ke 233 mm Faktor lebar

= Pd / Daya Transfer = 13.3 / 7 = 1.9

Lebar belt

= Faktor lebar x 25.4 = 1.9 x 25.4 = 48.26

Lebar pulley = Lebar belt x 1.3 18


= 50 x 1.3 = 65 mm V. Kesimpulan Sistem traksi yang dipergunakan adalah sistem traksi versi belakang (II) dengan posisi berada di atas gardan mobil. Seluruh desain komponen berada pada batas aman terhadap beban yang bekerja sesuai fungsi dari sistem. Sistem traksi yang digunakan tidak menggunakan sambungan permanen dalam hal pengintegrasian sistem traksi dengan rangka kendaraan konvensional. Pada penelitian ini masih terdapat banyak parameter pembebanan yang belum teranalisa. Hal tersebut dikarenakan kurangnya peralatan untuk membuat sistem yang komprehensif dan kecakapan peneliti dalam menjalankan penelitian. Oleh karena itu pada penelitian selanjutnya diharapkan desain yang dibuat sudah melalui simulasi pembebanan terhadap beban getar secara dinamik. Kontrol bagi sistem kerja motor BLDC dan mesin bakar pun masih menjadi pekerjaan rumah yang harus diselesaikan agar sistem konversi kendaraan hibrid ini dapat mencapai hasil yang diharapkan. Daftar Referensi [1]

Data Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor Menurut Jenis Tahun 1987 – 2009. http://bps.go.id/tab_sub/view.php?tabel=1&daftar=1&id_subyek=17¬ab=12. Agustus 2012.

[2]

–

Diunduh

10

Subsidi BBM, APBNP dan Realisasi. http://hatta-rajasa.info/read/1321/subsidi-bbm-apbnp-vs-realisasi - Diakses 10 Agustus 2012

[3]

Electric Verhicle (EVs) http://www.fueleconomy.gov/feg/evtech.s html - Diakses 10 Agustus 2012

[4]

Fuhs, Allen E. 2009. Hybird Vehicle and The Future of Personal Transportation. CNC Press: New York

[5]

Kamil C.B, Mehmet A.G, Ahmet T., 2011. A comprehensive overview of hybrid electric vehicle: Powertrain configurations, powertrain control techniques and electronic control unit. Journal Energy Conversion and Management.

[6]

Fethia, A. 2012. Compressed Natural Gas: The new alternative fuel for the Algerian transportation sector. ELSEVIER

[7]

Types of Electric Motor www.ece.uah.edu/courses/material/EE410-Wms2/Electric%20motors.pdf – Diakses 15 September 2012

19


[8]

T, Kenjo. 1985. Permanent magnet and brushless DC motor. Oxford : UK

[9]

Padmaraja, Y. 2003. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamental. Microchip Tech Inc.

[10]

Pilih BBG atau Vi-Gas http://otomotif.kompas.com/read/2012/01/18/474/Pilih.BBG.atau.Vi-Gas.Bagian.1. – Diakses 14 Maret 2013

[11]

Pilih BBG atau Vi-Gas http://otomotif.kompas.com/read/2012/01/18/474/Pilih.BBG.atau.Vi-Gas.Bagian.3. – Diakses 14 Maret 2013

[12]

Sarah J.G. 2012. Performance of batteries for electric vehicle on short and longer term. ELSEVIER

[13]

Dieter, George E. 2000. Engineering Design. Singapore : McGraw-Hills

[14]

Standard Specification for Steel Sheet, Zinc-Coated (Galvanized) or Zinc-Iron AlloyCoated (Galvannealed) by the Hot-Dip Process www.univstrut.com/uploadfiles/pdf/13.pdf - Diakses 12 Juni 2013

[15]

Welding After Galvanizing http://www.galvanizeit.org/designing-fabricating/fabrication-considerations/welding/welding-aftergalvanizing/ - Diakses 12 Juni 2013

[16]

NAISMITH. 2012. Timing Pulleys and Belts.

`

www.naismith.com.au/pdf/timingpb.pdf - Diakses 15 Maret 2013

[17]

Hamrock. B.J. 1999. Fundamental of Machine Elements. Singapore : McGraw-Hills

[18]

Sularso, Suga. K. 1997. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta : Pradnya Paramitha

20


RANCANGAN SISTEM TRAKSI MOTOR BLDC (BRUSHLESS DIRECT CURRENT) PADA SISTEM KONVERSI KENDARAAN HIBRID BAHAN BAKAR GAS (BBG) - LISTRIK DTM UI

Recommend Documents