TUGAS MANDIRI ELEMEN MESIN II PERENCANAAN FLYWHEEL DONGFENG MODEL R175
DISUSUN OLEH : NAMA : SUGIRINOTO NIM
: 113010242
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS WAHID HASYIM SEMARANG TAHUN 2013
1
KATA PENGANTAR Assalamu’alaikum Wr Wb
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah, atas segala limpahan rahmat, hidayah dan karunianya dalam melaksanakan perencanaan ulang Flywheel Dongfeng model R175. Dalam tugas Elemen Mesin ini, penulis mencoba merencanakan ulang Flywheel Dongfeng model R175. Dalam perencanaan ini penulis mengambil data dari berbagai sumber dan literatur, buku-buku Teknik Mesin, Diktat Ajar Dosen dan searching dari internet. Tak lupa ucapan terima kasih kepada Bapak Darmanto, ST, M.Eng selaku dosen dan pembimbing dalam tugas perencanaan ulang Flywheel Dongfeng model R175 ini, yang telah banyak memberi masukan, bimbingan dan pengarahan demi terwujudnya tugas Elemen Mesin I. Penulis sadar bahwa dalam penulisan laporan perencanaan ulang Flywheel Dongfeng model R175 ini masih jauh dari kata sempurna, kritik serta saran diharapkan dari para pembaca untuk tercapainya perencanaan yang lebih baik. Semoga tulisan ini bermanfaat dan menambah pengetahuan pembaca. Terima kasih Wassalamu’alaikum Wr Wb
Semarang,
Penulis
2
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Tujuan 1.3 Batasan Masalah BAB II DASAR TORI 2.1 Pengertian Flywheel 2.2 Energi Tersimpan dalam sebuah Flywheel 2.3 Fluktuasi Energi 2.4 Fluktuasi Energi Maksimum 2.5 Koefisien Fluktuasi Energi 2.6 Koefisien Kecepatan Fluktuasi BAB III PERHITUNGAN BAB IV PENUTUP 4.1 Kesimpulan 4.2 Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
3
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Kita sering mengunakan mesin atau engine untuk mempermudah pekerjaan ataupun untuk membantu aktifitas dalam kehidupan sehari-hari. Engine merupakan suatu alat yang terdiri dari ribuan komponen penyusun yang bekerja sama untuk menghasilkan energi gerak dari proses pembakaran bahan bakar. Bagi sebagian orang ada yang masih bertanya-tanya kenapa engine tersebut dapat berputar secara terus menerus ketika engine tersebut dihidupkan. Hal tersebut terjadi karena ada komponen yang memanfaatkan kelembaman dari putaran engine. Kali ini komponen yang akan kita bahas adalah roda gila (flywheel). Roda gila adalah sebuah roda yang dipergunakan untuk meredam perubahan kecepatan putaran dengan cara memanfaatkan kelembaman putaran (moment inersia). Karena sifat kelembamannya ini roda gila dapat menyimpan energi mekanik untuk waktu singkat. Roda gila dipergunakan untuk membuat torsi yang dihasilkan oleh motor bakar lebih stabil. 1.2 Tujuan
Tujuan dari penulisan perencanaan ulang Flywheel Dongfeng model R175adalah :
Mengetahui material yang digunakan dalam pembuatan flywheel.
Menghitung massa rim flywheel dongfeng model R175
Menghitung energi yang yang tersimpan didalam flywheel dongfeng model R175
1.3 Batasan Masalah
Dalam perencanaan ulang flywheel dongfeng ini, penulis tidak melakukan perencanaan ulang secara keseluruhan tetapi hanya sebatas untuk mengetahui :
Massa rim flywheel
Momen inersia flywheel
Energi yang yang tersimpan didalam flywheel
4
BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Flywheel
Flywheel atau roda gila adalah sebuah roda yang dipergunakan untuk meredam perubahan kecepatan putaran dengan cara memanfaatkan kelembaman putaran (moment inersia). Karena sifat kelembamannya ini roda gila dapat menyimpan energi mekanik untuk waktu singkat. Roda gila dipergunakan untuk membuat torsi yang dihasilkan oleh motor bakar supaya lebih stabil. Dalam mesin pembakaran internal, energi yang dikembangkan hanya pada langkah usaha saja dan energi yang dibutuhkan untuk beban mesin jauh lebih banyak, dan tidak ada energi yang sedang dikembangkan selama hisap, kompresi dan knalpot stroke dalam kasus empat stroke engine dan selama kompresi dalam kasus stroke dua mesin. Kelebihan energi yang dikembangkan selama stroke listrik diserap oleh roda gila dan rilis ke crankshaft selama stroke lain di mana tidak ada energi yang dikembangkan, sehingga crankshaft berputar pada kecepatan seragam. Pertimbangan kecil akan menunjukkan bahwa ketika roda gila menyerap energi, kecepatan meningkat dan ketika merilis, kecepatan berkurang. Oleh karena itu roda gila tidak menjaga kecepatan konstan, itu hanya mengurangi fluktuasi kecepatan. Dalam mesin di mana operasi ini berselang seperti mesin penghancur, mesin pemotong, crusher dll, roda gila menyimpan energi pada langkah kerja dan memberikan energi pada langkah yang lain. Dengan demikian energi dari sumber daya ke mesin disuplai praktis pada tingkat yang konstan sepanjang operasi. Seperti dibahas di atas, roda gila tidak tidak menjaga kecepatan konstan, roda gila hanya mengurangi fluktuasi kecepatan. Dengan kata lain, roda gila hanya mengontrol variasi kecepatan yang disebabkan oleh fluktuasi saat mesin berputar selama siklus operasi,dan tidak dapat mengendalikan variasi kecepatan yang disebabkan oleh beban yang bervariasi.
5
2.2 Koefisien Kecepatan Fluktuasi
Perbedaan antara kecepatan maksimum dan kecepatan minimum selama siklus ini disebut kecepatan fluktuasi maksimal. Rasio fluktuasi maksimum kecepatan dengan kecepatan rata-rata disebut koefisien kecepatan fluktuasi. Koefisien fluktuasi kecepatan, Cs = = =
=
=
=
Dimana : N1 = Kecepatan maksimum di r.p.m. selama siklus N2 = Minimum kecepatan dalam r.p.m. selama siklus N = kecepatan rata-rata dalam r.p.m. =
Koefisien fluktuasi kecepatan adalah faktor pembatas dalam desain roda gila . Ini bervariasi tergantung pada sifat jenis material roda gila yang digunakan. Tabel 2.1 menunjukkan nilai koefisien fluktuasi kecepatan yang diperbolehkan untuk beberapa mesin . Catatan : Kebalikan dari koefisien fluktuasi kecepatan dikenal sebagai koefisien kemampatan dan dilambangkan oleh m, m = Cs = S.No.. S.No 1 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
=
=
Type of machine or class of service
Coefficient of fluctuation of speed (CS )
Crushing machines Electrical machines Electrical machines (direct drive) Engines with belt transmission Gear wheel transmission Hammering machines Pumping machines Machine tools Paper making, textile and weaving machines Punching, shearing and power presses Spinning machinery Rolling mills and mining machines
0.200 0.003 0.002 0.030 0.020 0.200 0.03 to 0.05 0.030 0.025 0.10 to 0.15 0.10 to 0.020 0.025
Table 2.1. Permissible values for coefficient of fluctuation of speed (CS) (R. S. Khurmi, CH.22 Khurmi, CH.22 Flywheel, 2005)
6
2.3 Fluktuasi Energi
Fluktuasi energi dapat ditentukan oleh diagram turning moment untuk satu lengkap siklus operasi . Pertimbangkan diagram turning moment bagi bagi silinder ganda uap kerja tunggal mesin seperti ditunjukkan pada Gambar. 2.1. Ordinat vertikal merupakan saat balik dan horisontal ordinat ( absis ) mewakili sudut engkol. Ketika mesin tidak berputar, maka sudut engkol adalah nol, sampai naik ke nilai maksimum ketika sudut engkol mencapai 90 º dan nol lagi ketika sudut engkol adalah 180 º. Hal ini ditunjukkan oleh abc kurva pada Gambar. 2,1 merupakan diagram turning moment untuk untuk outstroke. Kurva cde adalah diagram turning moment bagi instroke dan agak mirip dengan abc kurva. Karena kerja yang dilakukan adalah produk dari saat memutar dan sudut berubah, oleh karena itu area diagram turning moment merupakan kerja yang dilakukan per revolusi. Dalam praktek yang sebenarnya, mesin diasumsikan bekerja melawan torsi rata-rata, seperti yang ditunjukkan oleh garis horizontal AF. Pada ketinggian aA ordinat mewakili ketinggian rata-rata dari balik diagram momen. Karena diasumsikan bahwa pekerjaan yang dilakukan oleh saat memutar per revolusi adalah sama dengan de ngan usaha yang dilakukan terhadap torsi rata-rata, karena itu daerah persegi panjang aA Fe sebanding dengan kerja yang dilakukan terhadap torsi rata-rata. Gambar. 2.1. Menghidupkan diagram momen untuk silinder mesin uap ganda.
(R. S. Khurmi, CH.22 Khurmi, CH.22 Flywheel, 2005) Kita lihat pada Gambar 2.1, bahwa torsi rata-rata pada garis torsi AF memotong diagram turning moment di di poin B , C , D dan E. Ketika engkol bergerak dari 'a' untuk ' p' kerja yang dilakukan oleh mesin yang sama dengan daerah ABP,
7
sedangkan energi yang dibutuhkan, ditunjukan oleh daerah RKAT. Dengan kata lain, mesin kurang melakukan kerja ( sama dengan area AAB) dibandingkan kebutuhan. Jumlah energi ini diambil dari roda gila sehingga menyebabkan kecepatan roda gila menurun. Pada saat engkol bergerak dari p ke q, kerja yang dilakukan oleh mesin sama dengan area pBbCq, sedangkan kebutuhan energi ditunjukan oleh daerah pBCq. Oleh karena itu mesin telah melakukan lebih banyak energi daripada kebutuhan. Karena kelebihan ini ( setara dengan luas BBC ) disimpan dalam roda gila sehingga kecepatan roda gila meningkat, sementara engkol bergerak dari p ke q. Demikian pula ketika engkol bergerak dari q ke r , banyak energi yang diambil dari mesin yang dikembangkan. Hilangnya energi diwakili oleh CCD daerah. Untuk memasok
kerugian
ini,
roda
gila
memberikan
beberapa
dari
energi sehingga menyebabkan kecepatan berkurang, sementara engkol bergerak dari q ke r. Pada saat engkol bergerak dari r ke s, kelebihan energi diberikan oleh daerah DDE sehingga membut kecepatan menjadi meningkat. piston bergerak dari s ke e, ada hilangnya energi dan membuat kecepatan berkurang . Variasi energi di atas dan di bawah garis torsi rata-rata disebut fluktuasi energi. Daerah BBC, ccd, dll DDE mewakili fluktuasi energi.
(R. S. Khurmi, CH.22 Khurmi, CH.22 Flywheel, 2005) Gambar 2.2. Tunring diagram momen untuk mesin pembakaran internal empat stroke. Gambar tersebut menunjukkan bahwa mesin memiliki kecepatan maksimum baik pada q atau s. Hal ini terjadi karena roda gila menyerap energi sementara engkol bergerak dari p ke q dan dari r ke s. Di sisi lain, mesin memiliki
8
kecepatan minimum baik di p atau r. Hal tersebut bisa terjadi karena roda gila memberikan sebagian energi ketika engkol bergerak dari a ke p dan dari q ke r. Perbedaan antara maksimum dan minimum energi dikenal sebagai fluktuasi maksimum energi. A mengubah diagram momen untuk mesin pembakaran internal empat langkah ditunjukkan pada Gambar 2.2. Kita tahu bahwa dalam mesin pembakaran internal empat langkah, ada satu stroke s troke kerja setelah engkol setelah set elah 720º ( atau 4π radian ). ) . Karena tekanan di dalam silinder mesin kurang dari atmosfer tekanan selama suction stroke, sehingga kerja balik negatif terbentuk seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2, selama kompresi stroke, kerja dilakukan pada gas, sehingga diperoleh loop negatif yang lebih tinggi. Dalam kerja Stroke, sisa pembakaran bahan bakar dan gas berkembang, sehingga se hingga terbentuk loop positif posit if yang besar. selama langkah buang, kerja dilakukan pada gas, sehingga diperoleh balik negatif. A mengubah diagram turning moment untuk mesin uap yang memiliki tiga silinder dan resultan mengubah diagram turning moment ditunjukkan ditunjukkan pada Gambar 2.3 Resultan yang mengubah diagram turning moment adalah jumlah Flywheel ditampilkan sebagai bagian terpisah 780º saat memutar diagram untuk tiga silinder. Dapat dilihat bahwa silinder pertama adalah tinggi silinder tekanan, silinder kedua adalah silinder intermediate dan silinder ketiga adalah tekanan rendah silinder. Engkol, dalam kasus tiga silinder biasanya satu sama lain ditempatkan pada 120º.
(R. S. Khurmi, CH.22 Khurmi, CH.22 Flywheel, 2005)
9
2.4 Fluktuasi Energi Maksimum
A mengubah diagram momen untuk mesin multi- silinder yang ditunjukkan oleh kurva bergelombang pada Gambar 2.4 Garis horizontal AG mewakili garis torsi rata-rata. Bisa dilihat a1, a3, a5 menjadi daerah atas rata-rata baris torsi dan a2 , a4 a6 dan menjadi daerah di bawah rata-rata garis torsi . Daerah ini mewakili beberapa jumlah energi yang baik ditambahkan atau dikurangi dari energi dari bagian yang bergerak dari engine.
(R. S. Khurmi, CH.22 Khurmi, CH.22 Flywheel, 2005) Gambar 2.4 Menghidupkan diagram momen untuk mesin multi- silinder. Biarkan energi dalam flywheel di A=E, maka dari Gambar 2.4, didapat Energi di B = E+a1 Energi di C = E + a 1 - a2 Energi di D = E + a 1 - a2 + a3 Energi di E = E + a 1 - a2 + a3 - a4 Energi di F = E + a 1 - a2 + a3 - a4 + a5 Energi di G = E + a 1 - a2 + a3 - a4 + a5 - a6 = Energi di A Kita anggap bahwa maksimum energi ini pada B dan minimum pada E.
∴ energi maksimum dalam roda gila = E + a1 dan energi minimum dalam roda gila = E + a1 - a2 + a3 - a4
10
∴ fluktuasi maksimum energi, ΔE = energi energi Maksimum - energi Minimum = ( E + a 1 ) - ( E + a 1 - a2 + a3 - a4 ) = a2 - a3 + a4 2.5 Koefisien Fluktuasi Energi
Hal ini didefinisikan sebagai rasio fluktuasi maksimum energi untuk kerja yang dilakukan per siklus. sekarang biasanya dilambangkan dengan CE . Secara matematis, koefisien fluktuasi energi, CE =
Kerja yang dilakukan per siklus dapat diperoleh dengan menggunakan menggunakan hubungan hubungan berikut: 1. Kerja / siklus = Tmean × θ dimana Tmean = rata-rata torsi , dan θ = Sudut berubah be rubah dalam radian per revolusi = 2 π , dalam kasus mesin uap dan stroke dua pembakaran internal mesin . = 4 π, π, dalam kasus empat langkah mesin pembakaran internal . Rata-rata torsi (Tmean) di Nm dapat diperoleh dengan menggunakan relasi berikut yaitu : Tmean = Dimana
P = Daya ditransmisikan dalam watt , N = Kecepatan dalam r.p.m. , dan ω = kecepatan sudut dalam rad / s = 2πN / 60
2. Kerja per siklus juga dapat diperoleh dengan menggunakan hubungan berikut : Kerja / siklus = P × 60 n dimana
n = Jumlah stroke bekerja per menit . = N, dalam kasus mesin uap dan stroke dua pembakaran internal mesin
.
= N / 2, dalam kasus empat langkah mesin pembakaran internal .
11
Tabel berikut menunjukkan nilai-nilai koefisien fluktuasi energi untuk mesin uap dan mesin pembakaran internal . No
Jenis Koefisien mesin
fluktuasi energi (CE)
1
Silinder tunggal , mesin uap bertindak ganda
0,21
2
Mesin uap Cross- senyawa
0.096
3
Silinder tunggal , kerja tunggal , mesin gas empat langkah
1.93
4
Empat silinder , kerja tunggal , mesin gas empat la ngkah
0.066
5
Enam silinder , kerja tunggal , mesin gas empat la ngkah
0.031
Tabel 2.2 . Koefisien fluktuasi energi ( CE ) untuk uap dan mesin pembakaran dalam (R. S. Khurmi, CH.22 Khurmi, CH.22 Flywheel, 2005)
2.6 Energi Tersimpan dalam sebuah Flywheel
Sebuah roda gila ditunjukkan pada gambar 2.5, Kita telah membahas bahwa ketika roda gila menyerap energi maka kecepatan akan meningkat sedangkan ketika memberikan energi maka kecepatannya akan berkurang.
(R. S. Khurmi, CH.22 Khurmi, CH.22 Flywheel, 2005)
12
Dimana : m = Massa dari roda gila (kg) k = jari - jari rotasi dari rim roda gila (m) I = momen Massa inersia roda gila (kg - m2) = m.k 2 N1 dan N2 = Kecepatan maksimum dan kecepatan minimum selama siklus (r.p.m) ω1 dan ω2 = Kecepatan sudut maksimum dan minimum selama siklus (rad / s) N = Kecepatan selama siklus dalam r.p.m =
ω = kecepatan sudut rata-rata rata -rata selama siklus dalam rad / s = CS = Koefisien fluktuasi kecepatan =
atau
Kita tahu bahwa energi kinetik roda gila, E =
× I.ω I.ω2 =
× m.k 2.ω2 (N-m atau joule )
Sebagai kecepatan perubahan roda gila dari ω1 ke ω2 ω 2 , fluktuasi maksimum energi, ΔE = Maksimum K.E - Minimum K.E = =
× I [(ω1 )2 - (ω2 )2 ] =
× I (ω (ω1 )2 -
× I(ω2 )2
× I (ω1 + ω2 ) (ω1 - ω2 )
= I.ω (ω 1 - ω2 )
(ω=
)..... (i)
= I.ω2 (
)
= I.ω2.Cs = m.k 2.ω2.Cs
( I = m.k 2 )............(ii)
= 2 E.Cs
(E=
× I.ω2 ).......(iii)
Jari-jari rotasi ( k ) dapat diambil sama dengan radius rata-rata dari rim ( R ), karena ketebalan rim sangat kecil dibandingkan dengan diameter pelek . Oleh karena itu k = R di persamaan ( ii ), maka, Δ E = m.R2.ω2.Cs = m.v2.Cs
( ∵ v = ω.R )
Catatan : 1. Dianggap bahwa momen inersia hanya di RIM dan momen inersia pada hub dan lengan diabaikan . Hal ini disebabkan karena sebagian besar dari berat flywheel adalah pelek dan sebagian kecil berada di hub dan lengan . Juga hub dan lengan
13
lebih dekat dengan sumbu rotasi , maka momen inersia dari hub dan lengan sangat kecil. 2. massa jenis flywheel yang terbuat dari besi adalah 7260 kg/m 3 dan untuk baja cor adalah 7800 kg/m 3. 3. Massa rim flywheel adalah m = Volume × massa jenis = l = l × A × ρ
Dimana : l = = Tebal rim flywheel (m) A = Luas penampang flywheel (m 3)
r = jari-jari fliwheel (m) ρ = ρ = massa jenis flywheel (kg/m3)
14
BAB III PERHITUNGAN
Model
R175
Type
Single cylinder horizontal, 4 stroke-cooled
Combustion System
Pre-Heated
Borex Stroke
75x75 mm
Displacement
0.331 L
Compression Ratio
21-22
Input Power
4.41 kw
Rotation Speed
2600 rpm
Fuel Consumption
280.2g/kwh
Colling Method
Hopper Type water cooling
Lubrication Method
Combined Pressure and Splash
Starting Method
Hand Cranking
Weight
55 kg
Dimension
595x380x570 mm Gambar 3.1. Engine diesel Dongfeng model R175 (http://slj-teknik.com)
15
Data perencanaan ulang Flywheel Dongfeng model R175 adalah sebagai berikut :
Daya yang ditransmisikan, P = 4,41 kw = 4410 w
Putaran , N = 2600 rpm
Jari-jari luar flywheel, r 1 = 160,2 mm = 0,1602 m
Jari-jari dalam flywheel, r 2 = 98,2 mm = 0,098 m
Jari - jari rotasi rim, k = 0,098 +
= 0,098 + 0,031 = 0,1292 m
Panjang rim flywheel, p flywheel, p = = 0,1602 – 0,1602 – 0,098,2 0,098,2 = 0,062 m
Tebal rim flywheel, l = = 65 mm = 0,065 m
Masa jenis flywheel, ρ flywheel, ρ = 7800 kg/m 3 (material yang dipakai adalah baja cor)
Satuan dalam mm
Gambar 3.2. Penampang flywheel (Auto CAD)
16
Massa rim flywheel m = V. ρ V. ρ Luas penampang rim flywheel, A = p = p x l = 0.062 x 0,065 = 0,00403 m 2 Volume rim flywheel, V = A x keliling k = 0,00403 x 2 = 0,00403 x (2 ( 2 x 3,14 x 0,1292) = 0,00327 m 3 m = 0,00327 x 7800 = 25,5 kg
Koefisien fluktuasi kecepatan Engine dengan transmisi belt, Cs = 0,030 0,030
Momen inersia flywheel I = m.k 2 = 25,5 x 0,1292 2 = 0,43 kg - m 2
Kecepatan sudut
ω = =
= 272,13 rad/s
Energi yang tersimpan didalam flywheel Δ E = m.k 2.ω2.Cs = 25,5 x 0,1292 2 x 272,13 2 x 0,030 = 955,3 Joule
17
( Table 2.1 )
BAB IV PENUTUP 4.1 Kesimpulan
Dari hasil perencanaan ulang flywheel dongfeng model R175 dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
Jenis material yang dipakai dalam pembuatan flywheel adalah baja cor dengan massa jenis 7800 kg/m 3.
Dari perhitungan flywheel dapat diperoleh data sebagai berikut, massa rim flywheel 25,5 kg, momen inersia flywheel 0,43 kg - m 2, energi yang tersimpan didalam flywhee 955,3 Joule
4.2 Saran
Sebelum melakukan perhitungan kita harus terlebih dahulu menganalisa jenis material apa yang digunakan untuk pembuatan flywheel.
Dalam pengambilan data pengukuran harus teliti agar diperoleh data perhitungan yang akurat.
18
DAFTAR PUSTAKA
R. S. Khurmi . 2005. Flywheel. S. Flywheel. S. Chand. Co Ltd George H. Martin. 1984. Kinematika dan Dinamika Teknik Jilid II. Erlangga. Jakarta http://slj-teknik.com
19
