View
225
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
KAJI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK POROS PENGGERAK BERBAHAN
KOMPOSIT PADA AUTOMOTIVE
FAUZAN
Jurusan Teknik Mesin Universitas Hasanuddin
Jl. Perintis Kemerdekaan KM 10 Makassar
ABSTRACT
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik dari bahan komposit hibryd
aluminium fiber glass yang akan digunakan pada drive shaft untuk mobil sebagai pengganti
drive shaft bahan baja dengan mempertimbangkan beberapa keuntungan dari material
komposit tersebut. Penentuan statik dilakukan pengujian dengan alat uji torsi sedangkan
dinamis dengan menggunakan analisis metode eleman hingga dengan bantuan program
ANSYS. Hasil yang diperoleh untuk sifat statik, torsi statik maksimun sebesar 170 N.m untuk
6 layer sedangkan sifat dinamis diperoleh putaran kritis 6754 rpm dan torsi kritis 18631 Nm.
Kata kunci: drive shaft, komposit, metode elemen hingga
PENDAHULUAN
Konstruksi mesin modern dari teknologi terbaru
dalam desain dan manufaktur menggunakan
material terbaru yang memiliki kekuatan spesifik
dan kekerasan lebih dari material tradisional.
Material komposit sesuai dengan kriteria ini
dengan kemampuan impak, ketahanan terhadap
fatik dan getaran. Material komposit juga dapat
mempertimbangkan sifat yang diinginkan,
dengan menyeleksi komponen mempunyai
karakteristik lebih baik dari material
sebelumnya. Dengan menghasilkan karakteristik
yang lebih baik sekarang ini, pemakaian material
komposit bertambah dalam pembuatan poros
transmisi. Parameter utama dalam pemilihan
poros berotasi untuk transmisi daya seperti drive
shaft dari mesin, automotive propeller shafts
berupa transmisi beban statis dan dinamis,
frekuensi natural, kemampuan bending untuk
getaran pada poros putaran tinggi. Komposit
poros hybrid dari fiber glass dapat
mentransmisikan torsi lebih, keuntungan lainnya
mengurangi berat, berkurangnya noise dan
getaran dan juga dapat mengurangi biaya
material Material komposit juga meningkatkan
fleksibilitas (sudut dari rotasi poros per beban
muatan) juga mengurangi beban impak sehingga
meningkatkan efektivitas cycle life dari
komponen drive shaft. Reis dan Goldman (1987)
menerapkan metode elemen hingga (MEH)
untuk menganalisis kecepatan kritis thin walled
laminate composite shafts dan ketahanan dari
poros komposit dengan beban dinamis. Lim and
Darlow (1986) mempresentasikan kalkulasi
optimum dari komposi drive shaft dengan
beberapa diameter komposit laminate. Lam and
Loy (1994) menganalisis getaran dari laminate
thin walled shafts menggunakan teori
pendekatan dari teori shell. Singh dan Gupta
(1996) meneliti karakteristik getaran komposit
poros silinder menggunakan teori Timoshenko's
beam. Dan pada tahun 2001, Song menerapkan
model batang untuk menganalisis frekuensi
pribadi dan stability dari komposit poros, model
ini dianggap sebagai teori dasar pengembangan
teori analisis kedepannya. Penelitian ini untuk
melengkapi penelitian sebelumnya bertujuan
menganalisis karakteristik drive shaft berbahan
komposit hybrid aluminium fiber glass.
Poros Penggerak (Drive Shaft)
Drive shaft berfungsi mentransmisikan daya dari
mesin ke bagian lainnya sesuai yang diinginkan.
Khusus untuk mobil, torsi yang dihasilkan dari
mesin dan ditrasmisikan ke roda belakang untuk
mendorong mobil maju dan mundur. Poros
penggerak harus halus (smooth) dan
mengalirkan daya ke differensial gear box.
Gambar. 1. Drive shaft pada mobil
Perbedaan antara konvensional (baja) dan
komposit pada drive shaft adalah komposit
mempunyai kekuatan dan modulus spesifik lebih
tinggi dari konvensional, berat lebih berkurang
Gambar. 2. (a) Poros baja dua batang (b) Poros
komposit hybrid aluminium satu
batang
dengan menggunakan komposit, dengan
berkurangnya berat maka komsumsi bahan bakar
dapat dikurangi, jumlah poros penggerak pada
mobil dapat dikurangi apabila dengan
konvensional terdiri atas dua batang sedangkan
komposit dapat satu batang saja, mempunyai
daya tahan terhadap korosi dari material
komposit, dengan material komposit maka besar
kapasitas torsi bertambah dibandingkan
konvensional dengan life fatigue dan
kemampuan mentansmisikan tenaga yang lebih
besar pula. Jumlah total torsi adalah torsi yang
ditransmisikan dari drive shaft Ttal tabung
aluminum dan Ttco lapisan komposit :
(1)
Dan torsi yang ditransmisikan aluminium tube
dapat dituliskan :
(2)
Dimana G adalah modulus geser dan J adalah
momen inersia polar “al” dan “co” mewakili
aluminum tube dan lapisan komposit,
Frekuensi pribadi dari drive shaft dapat dihitung
dengan kondisi batas pada ujungnya, berupa
(3)
Dimana : E iadalah modulus elastisitas dengan
arah aksial dari drive shaft, I adalah moment
inertia, ρ adalah massa per unit panjang, L
panjang dari poros penggerak.
METODOLOGI PENELITIAN
Spesimen dan Alat Uji Torsi
Dalam proses pembuatan spesimen dari hybrid
aluminium/komposit drive shaft menggunakan
metode filament winding dengan sudut 45̊
dengan jumlah lapisan sebanyak 2, 4 dan 6
lapisan. Tabung aluminium (AA6063)
mempunyai diameter luar 12,7 mm dengan
ketebalan 1,5 mm.
Gambar 3. Dimensi spesimen hybrid aluminium
fiber glass
Tabel 1. Sifat mekanik dari tabung aluminium
Ultimate
tensile
strenght
(MPA)
Shear
Strenght
(MPA)
Elongasi (%)
131 69 20
Alat uji torsi untuk menentukan karakteristik
statik dirancang dan dirakit sesuai mekanisme
dibawah dan diinstal sama dengan mesin
universal tensile dimana prinsip kerjanya adalah
pada saat mesin bergerak maka gaya
longitudinal di tansfer dari rantai ke specimen
dan menimbulkan momen torsi pada specimen.
Gambar 4. Alat Uji Torsi Statik
Metode Elemen Hingga
Pada penelitian ini analisis elemen hingga
menggunakan software ANSYS untuk
menentukan karakteristik dari dinamik berupa
frekuensi natural dan modus getaran. Model dari
shell berlapis terdiri atas beberapa lapisan, yang
mana elemen mempunyai enam derajat
kebebasan berupa translasi dari titik nodal x, y
dan z dengan arah dan rotasi pada sumbu x, y
dan z.
Gambar. 5.Struktur shell berlapis linear
(SHELL 99)
Poros dijepit pada salah satu ujungnya dan
dipuntir pada ujung lainnya dengan arah axial,
radial dan tangensial. Analisis dari poros
komposit untuk stacking maksimun berdasarkan
pada GA (Genetic algorithm). Untuk
karakteristik dinamis, metode elemen hingga
bertujuan untuk menganalisis menentukan
frekuensi pribadi pada arah lateral sedangkan
modus getaran pada semua kombinasi material
untuk menentukan kecepatan kritis dari poros.
HASIL PENELITIAN
Pada gambar 6 memperlihatkan hasil uji torsi
pada spesimen tabung komposit hybrid
alumunium.
Gambar 6. Model kegagalan dari komposit
hybrid aluminium
Tabel. 2 Torsi maksimun pada setiap layer
Jumlah layer Torsi maksimun
(N/m)
2 50
4 130
6 170
Sesuai yang diketahui bahwa pada bidang (2
dimensi), sudut 45o
merupakan sudut dengan
tegangan geser maksimun, dengan menggunakan
sudut ini sesuai tabel 2. diperoleh hasil torsi
statik maksimum akan meningkat dengan
bertambahnya jumlah lapisan (layer). Hasil uji
torsi diperoleh torsi maksimun 170 N/m pada
tabung aluminium dengan jumlah lapisan 6
buah.
Gambar 7. Frekuensi pribadi dari poros
komposit
Gambar 8. Modus pertama dari buckling pada
poros komposit hybrid aluminium.
Hasil perhitungan secara numerik diperoleh
sesuai pada gambar 6 dan 7. Dapat disimpulkan
dengan berkurangnya ketebalan dari tabung
aluminium maka akan menambah frekuensi
pribadi dari poros.
Material Aluminium
fiber glass
Baja
Putaran kritis
(rpm) 6754 9662
Buckling
torsional kritis
(Nm)
18631 43857
KESIMPULAN
1. Bahan komposit ini didesain untuk
menggantikan bahan konvensional (baja)
dengan menggunakan satu batang dengan
sebelumnya berupa dua batang.
2. Dari data hasil penelitian ini, karakteristaik
statik berupa torsi statik dan dinamis yaitu
putaran kritis, dan buckling torsi kritis dari
poros hybrid aluminium fiber glass dapat
sebagai alternatif pada drive shaft mobil
menggantikan drive shaft berbahan material
baja.
Daftar Pustaka
1. Andrew pollard, 1989, PMCs in
Driveline Applications, GKN Tech.,
UK.
2. Beardmore P, and Johnson C.F, 1986
The Potential for Composites in
Structural Automotive Applications,
Journal of Composites Science and
Technology, 26, 251-281.
3. Callister, W. D. (2003). Materials
science and engineering. An
introduction. New Jersey: John Wiley
and sons, inc.
4. Constantine C. Spyrakos, 1994, Finite
Element Modeling, WVU press, West
Virginia.
5. Cole, G. S., & Sherman, A. M.
(1995). Lightweight materials for
automotive applications. Materials
characterisation,
6. Corum, J. M., Battiste, R. L.,
Ruggles, M. B., & Ren, W. 2001.
Durability-based design criteria for a
chopped-glass-fibre automotive
structural composite. Composites
science and technology,
7. Cook. R, 1993, Concepts and
Application of Finite Element
Analysis, John Wiley & Son, New
York.
8. Cramer, D. R., Taggart, D. F., & Inc,
H. 2002. Design and manufacture of
an affordable advanced-composite
automotive body structure. Paper
presented at the Proceedings from
The 19th international battery, hybrid
and fuel cell electric vehicle
symposium and exhibition.
9. Dordevic Z, Maksimovic S and Illic I,
2008 Dynamic Analysis of Hibrid
Aluminium/Composit Shaft, Jounal
of Scientific Technical Review Vol.
VIII no. 2, 2008
10. Feraboli, P., & Masini, A. 2004.
Development of carbon/epoxy
structural components for a high
performance vehicle. Composites,
Part B, 35, 323-330.
11. Fluiter, Travis de, 2008, Design of
Lightweight Electric Vehicles,
Master’s Thesis ofThe University of
Waikato 12. Gumadi sanjay and Akula Jagadesh,
2007. Optimun Desaign and analysis
of a composit drive shaft of
automobile. Sweden. 13. Goldberg DE. 1989 Genetic
Algorithms in Search, Opt. and M/c
Learning, Reading, MA,
14. Happian-Smith, J. 2001. An
introduction to modern vehicle
design. Oxford: Butterworth
Heinemann.
15. Jones, R.M., 1990 Mechanics of
Composite Materials, 2e, Mcgraw-
Hill Book Company.
16. Masini, A., Taraborrelli, L., Pivetti,
A., & Feraboli, P. 2004. Development
of carbon/epoxy structural
components for a topless high
performance vehicle.
17. Montagnier and Hodcard,
Optimization of Supercritical
Carbon/Epoxy Drive Shaft Using A
Genetic Algoritm
18. Mutasher S.A., Sahari B. B. and
Hamouda A. M. S., Sapuan S.M.
2005 Static Torsion Capacity of a
Hybrid Aluminum Glass Fiber
Composite Hollow Shaft, American
Journal of Applied Sciences
19. Rangaswamy S, Vijayarangan RA,
2002, Optimal Design and Analysis
of Automotive Composite Drive
Shaft, International Symposium of
Research Student on Material Science
and Engineering
20. Robert D. Cook., 1995, Finite
Element Modeling for Stress
Analysis, John Wiley & Son, New
York.
21. Rajeev, s and Krishnamoorthy, C.S,
Discrete Optimization of Structure
Using Genetic Algorithms, J
Structural Engg., 118(1992), 1233-
1250
Recommended