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