Thursday, July 30, 2009

BAB II. TEORI DASAR I

TEORI DAN DASAR PERANCANGAN BRAKE DYNAMOMETER TIPE CAKRAM

2.1 Pendahuluan

Teori dan dasar perancangan brake dinamometer tipe cakram ini berisi tentang teori-teori yang mendasari perancangan dan pemilihan komponen-komonen yang terkait. Pemilihan komponen-komponen brake dinamometer ini dilihat dari segi mekanika teknik seperti kekuatan material dan umur pakai untuk bantalan. Pada akhir pembahasan bab ini akan dijelaskan teori dasar tentang pengukuran, hal ini penting untuk merancang suatu alat ukur yang baik dan benar.

Sebelum membahas tentang teori dasar pemilihan komponen-komponen yang terkait dalam perancangan dan pembuatan brake dinamometer ini terlebih dahulu akan dibahas tentang penggerak mula motor bakar torak guna mengetahui besaran yang akan diukur oleh brake dinamometer yang akan dirancang dan dibuat ini.

2.2 Motor Bakar Torak

Motor bakar torak adalah salah satu jenis mesin penghasil daya. Daya atau energi mekanik yang dihasilkan diperoleh dari energi yang dikandung bahan bakar melalui proses pembakaran. Motor bakar torak adalah mesin penghasil daya jenis pembakaran dalam atau Internal Combustion Engines, dimana proses pembakaran dan ekspansi terjadi di dalam motor itu sendiri dan gas hasil pembakaran sekaligus digunakan sebagai fluida kerja.

Motor bakar torak menggunakan satu atau lebih silinder yang di dalamnya berisi torak bergerak translasi. Di dalam silinder ini terjadi proses pembakaran campuran bahan bakar dan oksigen. Gas hasil pembakaran tersebut mampu menggerakkan torak yang oleh batang penghubung dihubungkan dengan poros engkol. Fungsi dari poros engkol mengubah gerak translasi menjadi rotasi pada saat langkah ekspansi dan gerak rotasi menjadi translasi pada saat langkah kompresi.

Motor bakar torak menurut sistem penyalaannya terdiri dari dua jenis yaitu Spark Ignition Engines (motor bensin atau Otto) dan Compression Ignition Engines (motor diesel). Pada motor bensin penyalaan bahan bakar dilakukan oleh loncatan bunga api listrik antara dua elektroda busi sedangkan pada motor diesel pembakaran bahan bakar dilakukan dengan sendirinya akibat tekanan dan temperatur yang tinggi.

Motor bakar torak menurut kerja yang dihasilkan dalam satu siklus terdiri dari dua jenis yaitu empat langkah dan dua langkah. Empat langkah untuk menghasilkan satu kerja poros engkol berputar 2 kali sedangkan dua langkah hanya memerlukan 1 kali putaran poros engkol.

2.2.1 Siklus Udara Motor Bakar Torak Volume Konstan

Siklus ideal motor bakar torak volume konstan (motor Otto) adalah siklus ideal dimana pemasukkan kalor dan pelepasan kalor dilakukan pada volume konstan, seperti terlihat pada Gambar 2.1.

Gbr. 2.1 Siklus Ideal Motor Bakar Torak Volume Konstan (Pustaka 1)

Sifat ideal serta keterangan mengenai proses siklus udara volume konstan ini adalah sebagai berikut :

  1. Pada sifat ideal fluida kerja dianggap sebagai gas ideal yang mempunyai kalor spesifik yang konstan.
  2. Langkah isap (0-1), proses tekanan konstan. Dalam proses ini fluida kerja berupa bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder pada tekanan konstan dari TMA (titik mati atas) sampai TMB (titik mati bawah).
  3. Langkah kompesi (1-2), proses isentropik (adiabatik reversibel), yaitu fluida kerja dikompresikan oleh gerakan torak dari TMB ke TMA.
  4. Proses pembakaran (2-3) pada volume konstan, yaitu proses pemasukan kalor sesudah torak mencapai TMA (titik 2). Fluida kerja ini tidak melakukan dan dikenai kerja.
  5. Langkah kerja atau ekspansi (3-4) pada proses isentropik, pada langkah ini akan dihasilkan kerja yang berguna dari TMA sampai TMB.
  6. Proses pelepasan kalor (4-1), dianggap sebagai proses pelepasan kalor pada volume konstan. Setelah torak mencapai TMB sejumlah kalor dikeluarkan dari dalam silinder sehingga temperatur fluida kerja akan turun.
  7. Langkah buang (1-0) ialah proses pembuangan hasil pembakaran fluida kerja ke lingkungan saat torak bergerak dari TMA menuju TMB. Fluida kerja didorong keluar silinder oleh torak yang bergerak dari TMB ke TMA pada tekanan konstan.
  8. Siklus dianggap tertutup dimana proses akan terus berlangsung seperti pada point 1 sampai 8.

Daya yang dihasilkan motor bakar torak dapat ditentukan dengan Persamaan 2.1 di bawah ini :

Dimana :

P = Daya yang dihasilkan motor bakar torak, PS

p rata-rata = Tekanan efektif rata-rata, Kg/cm3

Vl = Volume silinder, cm3

z = Jumlah silinder

n = Putaran poros engkol, rpm

a = Jumlah siklus per putaran, 1 untuk motor 2 langkah dan 1/2 untuk motor 4 langkah.

Tekanan efektif rata-rata adalah harga tekanan tertentu (yang konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja per siklus yang sama dengan siklus yang dianalisis, atau didefinisikan sebagai :

Dalam kenyataan siklus volume kontan ini akan sulit di dapat karena terjadi penyimpangan dari siklus ideal yang tidak bisa dihindari hanya bisa diusahakan sekecil mungkin. Akan tetapi boleh dikatakan antara efesiensi siklus udara dan siklus sebenarnya terdapat hubungan tertentu, yaitu pada efesiensi indikatornya dimana .

Daya indikator (daya gas pembakaran di dalam silinder) dapat ditentukan dengan Persamaan (2.3), di bawah ini :

Penyimpangan ini terjadi karena dalam keadaan sebenarnya terjadi kerugian, antara lain :

  1. Kebocoran fluida kerja karena cincin torak dan katup tidak bisa menyekat dengan sempurna
  2. Katup tidak dibuka dan ditutup pada TMA dan TMB karena alasan pertimbangan dinamik mekanisme katup dan kelembaman fluida kerja.
  3. Fluida kerja bukanlah udara yang bisa dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan selama proses berlangsung
  4. Pada motor bakar torak tidak terjadi pemasukan kalor. Kenaikan temperatur dan tekanan terjadi karena adanya proses pembakaran udara dan bahan bakar di dalam silinder
  5. Saat pembakaran berubah-ubah menurut kecepatan torak dan proses pembakaran memerlukan waktu, maka proses pembakaran dilakukan beberapa derajat pada saat torak sebelum mencapai TMA dan berakhir pada saat torak bergerak dari TMA menuju TMB. Jadi pembakaran tidak berlangsung pada volume konstan.
  6. Terdapat kerugian kalor yang disebabkan oleh perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingin.
  7. Terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang ke lingkungan.
  8. Terdapat kerugian energi akibat gesekan fluida kerja dengan dinding saluran.

Siklus sebenarnya yang terjadi seperti terlihat pada Gambar 2.2 di bawah ini. Pada grafik terlihat pemasukan dan pengeluaran kalor tidak pada volume konstan, langkah isap dan langkah buang tidak tejadi pada tekanan konstan dan tekanan langkah buang lebih tinggi dibanding tekanan langkah isap.

Gbr. 2.2 Siklus Sebenarnya Motor Bakar Torak Volume Konstan (Pustaka 1)

2.2.2 Daya Poros

Daya yang berguna pada motor bakar torak adalah daya poros karena daya ini yang akan menggerakkan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator.

Sebagian daya indikator ini digunakan untuk mengatasi gesekan mekanik antara komponen-komponen yang saling bergesekan seperti torak dan dinding silinder, poros dengan bantalan dan lain sebagainya. Selain itu pula daya indikator harus menggerakkan aksesori seperti pompa air, pompa pelumas, pompa bahan bakar, kipas pendingin dan generator. Dengan demikian besarnya daya poros adalah :

dimana :

Pe = Daya poros atau daya efektif [PS,kW].

Pi = Daya Indikator [PS,kW].

Pg = Daya gesek [PS,kW].

Pa = Daya aksesoris [PS,kW].


Untuk mengetahui daya poros diperlukan alat ukur torsi atau dinamometer dan tachometer untuk mengukur putaran poros engkol. Data yang didapat dari pengukuran adalah torsi dan putaran, daya poros didapat dengan memasukkan data yang diperoleh ke Persamaan 2.5.

dimana :

T = Momen putar [kgm] dan n = Putaran poros engkol [rpm]

Hasil pengujian suatu motor bakar bensin pada bermacam-macam putaran dengan katup gas terbuka penuh seperti terlihat pada Gambar 2.3 di bawah ini.

Gbr. 2.3 Hasil pengujian motor bakar torak pada bermacam-macam putaran dengan katup throttle terbuka penuh (Pustaka 1)

2.3 Dinamometer

2.3.1 Tinjauan Umum

Dinamometer adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur torsi atau momen puntir poros out-put penggerak mula seperti motor bakar, motor listrik, turbin uap, turbin gas dan lain sebagainya. Tujuan pengukuran torsi ini adalah untuk menentukan besar daya yang bisa dihasilkan penggerak mula tersebut.

Prinsip kerja dinamometer secara umum seperti terlihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Prinsip kerja Brake dynamometer (Pustaka 2)

Rotor atau bagian yang berputar dihubungkan ke stator menggunakan kopling tak tetap seperti elektromagnetik, hidrolik atau gesekan mekanik, fungsi dari kopling ini untuk mengubah daya mesin menjadi bentuk daya lain agar mudah diukur. Rotor dan stator ini ditumpu oleh bantalan yang memiliki kerugian gesek kecil. Pada bagian stator terdapat lengan dimana pada ujung lengan tersebut dipasang alat pengukur gaya. Bila rotor berputar maka stator akan ikut berputar akibat hubungan kopling tak tetap tadi, akan tetapi putaran stator ditahan oleh pengukur gaya yang dipasang pada ujung lengan dengan jarak tertentu dari sumbu putar. Pengukur gaya akan mengukur besarnya gaya F (kg) akibat torsi yang diberikan rotor ke stator.

Torsi mesin diperoleh dengan mengalikan besar gaya pada ujung lengan dengan jarak x :

T = Fx

dimana :

x = Panjang lengan (m)

F = Gaya yang pada ujung lengan (kg)

Daya (P) yang diberikan mesin ke dinamometer diperoleh dengan memasukkan torsi dan putaran yang didapat ke persamaan (2.5).

2.3.2 Tinjauan Terhadap Brake Dinamometer Tipe Cakram

Prinsip kerja brake dinamometer adalah mengubah daya poros suatu penggerak mula menjadi daya gesek agar mudah untuk diukur. Daya gesek pada brake dinamometer ini kemudian ditransfer menjadi kalor dan dilepas ke lingkungan. Untuk memperoleh daya gesek dalam perancangan ini menerapkan sistem rem dari kendaraan yaitu sistem rem cakram. Jenis dinamometer ini disebut brake dinamometer tipe cakram yang untuk selanjutnya akan disebut brake dinamometer.

Brake dinamometer menggunakan cakram untuk menghasilkan daya gesek dimana energi yang dihasilkan oleh mesin penghasil daya diubah menjadi daya gesek dan ditransfer menjadi panas kemudian dilepas ke lingkungan, seperti terlihat pada diagram alir di bawah ini :

Gbr. 2.5 Diagram alir prinsip kerja brake dinamometer

Cakram yang digunakan pada perancangan brake dinamometer ini menggunakan cakram dimana kontruksinya dilengkapi dengan ventilasi. Fungsi ventilasi pada cakram ini untuk mempercepat pelepasan panas pada cakram yang diakibatkan oleh gesekan antara kanvas dengan cakram.

Kontruksi dan prinsip kerja dari brake dinamometer ini seperti ditunjukan pada gambar 2.6.

Gbr. 2.6 Brake dinamometer tipe cakram tunggal.

  • Brake dinamometer terdiri dari dua bagian, yaitu rotor dan stator.
  • Rotor adalah bagian yang berputar yang terdiri dari poros (No.1) dan cakram (No.8).
  • Rotor dihubungkan ke poros out-put penggerak mula yang akan diukur.
  • Stator adalah bagian yang cukup untuk bisa bergerak secara rotasi, tidak sampai berputar. Komponen-komponen stator adalah kaliper (No.3), lengan (No.4) dan kanvas rem (No.7).
  • Rotor bertumpu pada rangka melewati dua bantalan peluru (No.2), dan stator bertumpu pada frame melewati bantalan jarum (No.6).
  • Kontruksi seperti ini untuk membebaskan rotor dari stator, jadi beban lentur pada rotor hanya akibat berat poros dan cakram saja.
  • Oli dari sebuah master rem ditekan masuk ke kaliper (No.3)
  • Tekanan oli tersebut akan menekan piston di dalam kaliper.
  • Kontruksi dari kaliper akan menghasilkan arah tekanan pada masing-masing kanvas rem saling berhadapan, arah tekanan ini mengakibatkan kedua kanvas rem akan menjepit cakram yang sedang berputar sehingga terjadi gaya gesek.
  • Gaya gesek ini akan mengakibatkan terjadinya torsi pada rotor.
  • Torsi gesek pada rotor ini mengakibatkan terjadinya momen pada stator.
  • Untuk mengetahui besarnya momen pada stator dipasang piranti pengukur gaya pada lengan (No.4) dimana lengan ini masih bagian dari stator.
  • Piranti pengukur gaya ini dipasang di titik A sejauh X dari titik sumbu putar momen, seperti terlihat pada gambar 2.7.
  • Piranti pengukur gaya akan menunjukan besarnya gaya (F) yang bekerja pada titik A.
  • Kesetimbangan momen memberikan, momen yang bekerja pada stator sama dengan besar gaya yang terbaca pada piranti pengukur gaya (F) dikalikan dengan jarak X, atau memenuhi persamaan :

    Momen pada stator = F.X

  • Karena prinsip kerja brake dinamometer mengubah daya mesin menjadi daya gesek, maka torsi yang diberikan oleh mesin ke brake dinamometer sama dengan torsi gesek pada cakram.
  • Torsi gesek pada cakram ini sama dengan momen pada stator yang besarnya sama dengan F xX.
  • Maka torsi mesin sama dengan F x X.


    Gbr. 2.7 Lengan brake dinamometer tipe cakram tunggal.

Tuesday, July 28, 2009

BAB. I Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

Dynamometer adalah suatu alat ukur yang digunakan untuk mengukur torsi poros out-put suatu pengerak mula, besaran ini digunakan untuk menentukan daya yang bisa dihasilkan oleh penggerak mula tersebut.

Banyak jenis dynamometer yang ada saat ini, diantaranya dynamometer elektrostatik, dynamometer Eddy Current, dynamometer transmisi, dynamometer transmisi sabuk, dynamometer brake dan lain sebagainya.

Harga satu unit dynamometer yang ada di pasaran mempunyai harga yang relatif mahal dan jenis yang terbatas, akan tetapi mempunyai kemampuan pengukuran yang tinggi. Jenis yang banyak beredar di pasaran biasanya jenis dynamometer elektrostatik dan dynamometer Eddy Current.

Kemungkinan dalam pembuatan dinamometer yang sederhana, murah dan mudah tanpa menghilangkan aspek teknologi dengan jalan menggunakan komponen-komponen kendaraan.

1.2 Tujuan

Merancang dan membuat brake dynamometer sebagai alternatif dynamometer yang ada di pasaran yang harganya relatif cukup mahal.

Merancang dan membuat brake dynamometer dengan menerapkan sistem rem roda depan dari kendaraan, yaitu jenis rem cakram. Pemilihan jenis rem ini karena rem cakram mempunyai kelebihan di banding dengan rem tromol, diantaranya mempunyai daya cengkram yang baik untuk dimensi keseluruhan yang sama dan sistem pendinginan yang baik.

Merancang dan membuat brake dynamometer untuk mengukur torsi dari poros out-put suatu penggerak mula dimana besaran ini digunakan untuk menentukan daya maksimum yang bisa dihasilkan oleh penggerak mula tersebut.


1.3 Batasan Masalah

Perancangan ini merupakan langkah awal dalam pembuatan sebuah brake dynamometer, yang dirancang sesederhana mungkin tanpa menutup kemungkinan untuk dikembangkan.

Digunakan pendinginan alami untuk mendinginkan brake dynamometer selama pemakaian tanpa dibantu dengan alat pendingin yang lain.

Pembatasan pengukuran untuk mesin dengan kapasitas silinder 1500 cc atau daya dan torsi maksimum yang dihasilkan 53 kW dan 12.2 kg m

Pehitungan komponen utama dalam perancangan brake dynamometer ini hanya ditinjau dari segi mekanika teknik, guna menentukan kekuatan material komponen untuk diterapkan pada perancangan ini.

Proses pemesinan dilakukan pada komponen yang dianggap perlu, pembuatan rangka dan perakitan dilakukan di sebuah bengkel yang mempunyai peralatan terbatas.

Semua batasan-batasan ini dilakukan untuk menghemat biaya, waktu produksi dan tenaga, disamping itu karena keterbatasan sarana untuk merancang secara lengkap dan detail satu unit brake dynamometer tipe cakram.


I.4 Ruang Lingkup

Ruang lingkup makalah tugas akhir ini meliputi perancangan dan pembuatan brake dynamometer tipe cakram dengan menggunakan sistem rem pada kendaraan. Setelah perancangan dan pembuatan brake dynamometer selesai kemudian dilanjutkan pengujian dengan mesin uji untuk menentukan prestasi brake dynamometer tersebut.


1.5 Sistematika Pembahasan

Sistematika pembahasan tugas akhir ini dibuat sedemikian rupa supaya saling berkesinambungan, mudah diikuti dan dimengerti.

Bab I atau Pendahuluan, yang berisi latar belakang pengambilan judul dari makalah, tujuan yang ingin dicapai, pembatasan dalam perancangan, ruang lingkup dan sitematika pembahasan.

Bab II yang berisi teori-teori dasar yang relevan dengan perancangan brake dynamometer ini serta teori tentang penggerak mula yang akan menguji brake dinamometer ini yaitu teori penggerak mula motor bakar torak. Kemudian dilanjutkan dengan Bab III yaitu pemilihan dan perhitungan komponen-komponen utama serta langkah-langkah pemesinan yang harus dilakukan pada beberapa komponen agar sesuai dengan keperluan.

Bab IV, yaitu prosedur langkah-langkah perakitan dan pengujian alat dynamometer brake yang yang dilanjutkan dengan analisis hasil pengujian , yaitu Bab V.

Pada bab VI laporan biaya yang dikeluarkan untuk memproduksi satu unit brake dinamometer. Laporan ini ditutup dengan bab VII yaitu kesimpulan dari hasil perancangan dan pengujian brake dynamometer serta saran-saran yang bisa diterapkan untuk pengembangan brake dynamometer ini.