Analisis Kegagalan Pada Poros Engkol Mesin Diesel Empat Silinder Terbuat Dari Besi Cor Nodular
Abstrak Kerusa Keru saka kan n dini dini pada pada bebe bebera rapa pa poro poross engk engkol ol mesi mesin n dies diesel el empa empatt sili silind nder er tela telah h dilaporkan. Semua poros engkol mengalami kegagalan di daerah yang sama. Kegagalan telah teradi di pena engkol pertama! pena engkol terdekat dengan roda gila. Analisis dinamis dan pemodelan elemen hingga dilakukan untuk menentukan keadaan tegangan di poros engkol. "asil #EM mengungkapkan bah$a %illet pena engkol pertama adalah titik paling rentan terhadap %raktur. Diagram Soderburg dari penelitian poros engkol menunukkan bah$a titik operasi layanan! yang merupakan singkatan dari mean dan tegangan pengganti daerah kritis &%illet pena engkol pertama' terletak di $ilayah yang aman. (leh karena itu! dapat disimpulkan bah$a kelelahan %raktur tidak teradi di poros engkol. )ambar SEM dari permukaan retak uga menunukkan retakan %raktur dan dimasukkan ke dalam bukti bah$a kegagalan itu patah getas. Tidak ada tanda kegagala kegagalan n kelelahan kelelahan ditemukan ditemukan.. #raktur #raktur mungkin mungkin telah telah disebabka disebabkan n oleh kelebihan kelebihan beban. Namun! hasil menunukkan e*aluasi ulang desain dan manu%aktur. Pengerolan %illet mungkin memainkan peran penting dalam hal ini. (ptimasi dari proses rol %illet denga den gan n mengub mengubah ah parame paramete terr prose prosess telah telah direk direkome omenda ndasik sikan an kep kepada ada prod produse usen. n. +ekome +ekomenda ndasi si ini telah telah diadop diadopsi si oleh oleh prod produse usen n dan tidak tidak ada lagi lagi kegag kegagala alan n yang yang dilaporkan. Kata Kunci
: Poros Engkol, Analisis Kegagalan, Fraktur, Kegagalan Kegagalan
,. Pendahuluan Mesin dan komponennya adalah asal dari sebagian besar kegagalan yang terjadi di otomotif [ 1 ] . Di antara mereka, kegagalan poros engkol sering dilaporkan di mesin yang berbeda dan karena itu, pemahaman mendasar dari operasi dan mekanisme kegagalan dapat menjadi nilai yang besar. Salah satu dari manufaktur dan operasi yang tidak benar atau kelelahan mekanis dapat menyebabkan bencana kegagalan di poros engkol. Kegagalan poros engkol yang lebih rinci dapat dikaitkan dengan tinggi konsentrasi tegangan yang dihasilkan di lokasi kritis, ketidaksejajaran, pelumasan yang rusak, oerheating selama operasi, pembebanan berlebih, cacat metalurgi dan getaran bantalan. !mumnya , operasi yang tidak benar menghasilkan retak kelelahan yang akan dimulai di "ilayah yang lemah. #ropagasi retak ini sampai penampang yang tersisa tidak bisa mentolerir, mengakibatkan fraktur akhir. Sebuah penyelidikan kegagalan dari poros engkol yang dilakukan proses nitriding mengungkapkan bah"a tidak adanya lapisan nitrida parsial di "ilayah fillet $fillet adalah suatu bentuk sudut yang berada pada pertemuan dua garis, atau bentuk salah satu tepi % sisi dari benda yang berbentuk setengah lingkaran atau sebuah garis yang membentuk garis busur& menurunkan kekuatan kelelahan dan ter"ujud dalam inisiasi kelelahan dan propagasi di "ilayah lemah [ ' ]. Dalam beberapa kasus, kegagalan terkait untuk masalah produksi material. Misalnya cacat pengecoran dapat menyebabkan patah yang tiba( tiba setelah periode penggunaan yang sangat singkat [ ) ]. Dalam kasus poros engkol cor yang patah menjadi dua bagian telah terjadi di daerah pena engkol, pemeriksaan *ona kegagalan terbukti tidak adanya kasus pengerasan di "ilayah fillet dan adanya grafit bebas dalam struktur mikro , menyebabkan inisiasi dan propagasi retakan kelelahan [ + ]. ahkan jika tidak ada cacat manufaktur atau operasi yang tidak tepat, masih ada daerah dengan tegangan yang tinggi pada situasi siklik akan sesuai untuk tempat inisiasi retak akibat kelelahan . atas kelelahan dari material poros engkol melebihi di "ilayah ini karena tinggi konsentrasi tegangan [ - ]. Sebuah penyelidikan dari bencana kegagalan jaring jaring poros engkol kapal laut menunjukkan bah"a retak inisiasi dimulai pada fillet pena engkol oleh tegangan lentur sementara propagasi adalah karena kombinasi dari siklik lentur dan torsi stabil [ ]. /raktur poros engkol karena retak di tepi lubang minyak juga diselidiki.0esekan antara permukaan poros dan bush utama karena perbaikan dan perakitan yang tidak tepat oleh karena itu, tegangan geser a"al adalah penyebab utama dari fraktur [ ]. Sebuah surei singkat pada studi sebelumnya menunjukkan kelelahan adalah penyebab paling umum dari kegagalan crankshaft. #erbaikan pekerjan teknik untuk kelelahan seperti pengerolan fillet dan shoot peening $Shot peening adalah proses perlakuan pada permukaan melalui pengerjaan dingin yang identik dengan peen hammer, shot peening itu sendiri menggunakan bola(bola kecil yang ditembakkan ke permukaan suatu logam dengan kecepatan dan kondisi tertentu sehingga menghasilkan suatu tegangan sisa tekan % compressive residual stress sehingga dapat menaikkan kekuatan lelahnya& secara efektif dapat meningkatkan kekuatan kelelahan crankshaft dan mencegah bencana kegagalan [ 2 , 3 ]. Menjelajahi kriteria yang
diandalkan untuk penilaian umur kelelahan juga akan sangat penting. Sebuah perbandingan antara kriteria kegagalan yang berbeda di crankshaft menunjukkan bah"a kriteria inisiasi retak menggunakan permukaan dibandingkan dengan resona bergeser atau dua potong kriteria kegagalan menurunkan batas kelelahan [ 14 ]. !ntuk penilaian dari umur kelelahan crankshaft, kita harus menentukan keadaan stres pertama. 5al ini bisa dilakukan baik secara eksperimental dengan memasukkan pengukur regangan menjadi daerah [11] atau numerik dengan menggunakan simulasi elemen hingga [1']. Saat ini, dengan kemajuan tajam dalam kekuatan komputer, elemen hingga secara efektif digunakan untuk penentuan kondisi tegangan di poros engkol. 6amun menerapkan kondisi pembebanan sederhana yang jauh dari realitas telah menyederhanakan hasilnya. Sebuah model disamakan dinamis terkait dengan model elemen hingga digunakan untuk menyelidiki keadaan stres dari crankshaft yang patah[1)]. Kombinasi elemen hingga dan analisis dinamis menyediakan simulasi yang lebih akurat dari apa saja yang dialami crankshaft selama operasi. Menurut hasil, *ona yang berbeda di mana tegangan maksimum tercapai dilaporkan. 6amun, inestigasi mikro mengungkapkan bah"a, di antara ini daerah dengan probabilitas kegagalan yang sama, kelelahan retak terjadi di mana struktur martensit dengan kekerasan yang sangat tinggi, didistribusikan di lapisan tipis, telah terbentuk [1)]. /raktur permukaan sejumlah kompresor crankshaft yang rusak menunjukkan tanda(tanda beachmarks tetapi menunjukkan penampilan ra puh [1+]. #ekerjaan ini menyelidiki kemungkinan alasan untuk kegagalan crankshaft mesin diesel empat silinder. Kerusakan dini di beberapa poros engkol mesin diesel karena mesin berkecepatan tinggi dan tiba(tiba berhenti. eberapa crankshafts juga gagal tes daya tahan. Semua crankshafts yang gagal dari daerah yang sama. Kegagalan terjadi di crankpin pertama, crankpin terdekat dari roda gila . -. Prosedur Penelitian -.,. Properti Material 7rankshaft dibuat dari besi cor ulet 000 4. 8nalisis kimia dari sampel yang diambil dari retak crankshaft dilakukan dengan menggunakan spektrometer. 9abel 1 memberikan komposisi kimia dari bahan crankshaft. 8nalisis spektrometri mengungkapkan bah"a materi adalah 000 4 ductile cast iron.
!ji tarik dari spesimen yang diambil dari standar retak crankshaft juga dilakukan untuk mendapatkan hasil dan tegangan tarik utama dari materi. Spesimen pengukur panjang dan penampang adalah -4 mm dan 1'), mm' masing(masing. Sifat mekanis ditunjukkan dalam tabel '. 9elah diamati bah"a sifat tarik berada dalam kisaran yang diharapkan.
-.-.
Pemeriksaan Permukaan +etak Sebuah crankshaft patah ditunjukkan pada 0ambar. 1. :etak permukaan menunjukkan penampilan rapuh dan tidak ada beachmark diamati pada daerah gagal. 0ambar. ' menunjukkan struktur mikro material. 6odul bola grafit dikelilingi oleh ferit dalam matriks perlitic diamati.
0ambar ) dan + menunjukkan gambar S;M $ Scanning Electron Microscope& dari permukaan retak. 8ngka(angka menunjukkan fraktur pembelahan dan dimasukkan ke dalam bukti bah"a kegagalan itu patah getas. Kedua gambar yang me"akili dari seluruh permukaan fraktur. Kita tidak bisa mengamati tanda(tanda kegagalan kelelahan.
. Pembebanan Penggerak .,. Penentuan Keadaan Tegangan Keadaan stres crankshaft selama kondisi operasional ditentukan untuk mencari tahu apakah fraktur telah berasal dari titik stres tinggi yang tak terduga dalam kondisi kelelahan atau tidak. Dua sumber utama bertanggung ja"ab pada adanya gaya pada crankshaft yang bergerak. 9ekanan dikembangkan di bagian atas piston selama pembakaran adalah yang pertama dimana salah satu yang ditransmisikan ke bantalan melalui batang penghubung. 0aya inersia akibat putaran poros, gerakan bolak(balik piston dan gerakan dikombinasikan batang penghubung
adalah satu lainnya. Dalam rangka untuk menentukan kondisi stres pada poros engkol lebih mendalam kedua jenis gaya harus diperhitungkan. 8khirnya analisis dinamis digunakan untuk mendapatkan tekanan yang setara dalam bantalan jurnal. 5asilnya kemudian dipakai dalam metode elemen hingga untuk menentukan keadaan stres di crankshaft. .,.,. Analisis Dinamik 8nalisis dinamis dari engkol dan slider berhasil mempertimbangkan efek gabung dari tekanan pembakaran dan gaya inersia. Mekanisme tiga komponen ini ditunjukkan di 0br.-. 9ekanan maksimum +,' bar dialami dalam silinder selama pembakaran. 9ekanan ini diberikan pada bagian atas piston dalam analisis dinamis. Karena jumlah tekanan di isap, buang dan kompresi sangat rendah dibandingkan dengan pembakaran tekanan, dapat cukup diabaikan dalam analisis dari tiga tahap ini. Diameter piston dan massanya 22,) mm dan -4- gr masing(masing. 121 mm panjang batang penghubung telah terhubung ke kedua piston dan crankshaft. Diameter lubang batang penghubung lebih kecil dan lebih besar masing(masing '4,3+2 mm dan -) mm. Massa dianggap +4 gr dalam analisis dinamis. Mesin bereolusi )4444 derajat per detik telah dianggap sebagai sudut kecepatan engkol dalam model dinamis.
8nalisis dinamis dari konfigurasi ini dilakukan di setiap posisi sudut engkol. #erhitungan ri"ayat "aktu reaksi yang dihasilkan dalam bantalan jurnal di yang menghubungkan batang dan poros engkol yang terhubung bersama(sama adalah perhatian utama dari analisis dinamis. Memiliki jumlah gaya reaksi di bantalan jurnal di tangan, orang dapat dengan mudah menghitung tekanan setara yang terkena di bantalan di setiap tahap mesin layanan dengan persamaan 1.
Di mana / yang dihasilkan adalah gaya reaksi di bantalan jurnal, r dan " adalah radius bantalan dan ketebalan masing(masing dan p adalah tekanan setara. :adius dan ketebalan bantalan yang diteliti adalah )4 mm dan '',1 mm masing(masing. 9abel ) merangkum hasil analisis dinamik untuk setiap siklus mesin.
.,.-. Elemen "ingga Sebuah model elemen hingga tiga dimensi dibangun untuk menilai keadaan stres di crankshaft yang retak. Model diilustrasikan pada 0ambar. . Dua puluh elemen hingga noded digunakan untuk crankshaft yang berbeda. Mesh yang lebih baik digunakan di daerah fillet dimana gradien stres berat diharapkan. #erilaku bahan elastis linear dianggap dengan memperkenalkan modulus =oung dari 12 0pa dan rasio #oisson dari 4,) $modulus young menjelaskan elastisitas tarik atau kecenderungan suatu benda untuk berubah bentuk sepanjang sumbu ketika stress berla"anan diaplikasikan sepanjang sumbu itu, didefinisikan sebagai rasio tegangan tarik terhadap regangan tarik, dan rasio poisson merupakan perbandingan antara regangan lateral terhadap regangan aksial&. 8da lima jurnal tetap di crankshaft belajar yang hanya hanya bisa berputar di sekitar sumbu mereka sendiri. >urnal tersebut dibatasi di radial dan arah aksial dalam model elemen hingga. >urnal pertama juga tetap dalam arah aksial untuk mencegah crankshaft untuk bergerak secara aksial. #erhitungan tekanan yang setara dari analisis dinamis ditarik kembali di sini dan didistribusikan pada permukaan jurnal tersisa untuk analisis setiap siklus mesin. Daya torsi yang adalah diberikan ke crankshaft selama operasi dihitung dengan persamaan '.
Dalam persamaan ini # adalah kekuatan dan " merupakan putaran mesin. Dengan demikian, jumlah 1'2 torsi 6.m diaplikasikan pada permukaan ekstrim crankshaft.
;mpat kasus, yakni pembakaran di setiap silinder, diperiksa oleh perubahan kondisi batas di model elemen hingga. 5asil penelitian menunjukkan bah"a kasus yang paling berbahaya telah terjadi di crankpin pertama ketika ketiga silinder dibakar. #ersamaan distribusi tegangan on Mises seluruh crankshaft selama pembakaran silinder ketiga ditunjukkan pada 0ambar. . Stres maksimum yang setara adalah ', M#a yaitu sekitar 1- ? dari tegangan luluh material.
.-.
Prediksi dari /mur Kelelahan 5asil elemen hingga mengungkapkan bah"a keadaan stres crankshaft selama operasi jatuh ke "ilayah elastis.
>umlah ini bagaimanapun, telah mengalami beberapa modifikasi menurut persamaan - agar berlaku untuk geometri poros engkol, pembebanan, dan pengerjaan akhir permukaan.
Dalam hubungan ini S@e adalah batas kelelahan standar spesimen sementara Se adalah batas kelelahan crankshaft. Ka, Kb, Kc, Kd, dan Ke merupakan faktor koreksi dari permukaan akhir, ukuran, modus pembebanan, suhu operasi dan kehandalan. 5ubungan untuk memperoleh faktor(faktor ini bisa ditemukan di [1]. 9abel + menunjukkan jumlah faktor koreksi untuk kasus penelitian ini. Menurut ini koreksi batas kelelahan crankshaft diperoleh 124 Mpa.
Mengetahui batas kelelahan dan stres luluh material kita dapat dengan mudah menggambar diagram Soderburg $diagram yang menunjukkan tegangan pengganti terhadap tegangan yang sebenarnya&. Dalam Diagram Soderburg, absis merupakan jumlah stres rata(rata dan ordinat me"akili jumlah stres pengganti. Ailayah yang tertutup oleh absis, mengkoordinasikan dan garis lurus antara stres luluh dan batas kelelahan adalah "ilayah aman. Dengan kata lain, jika titik layanan operasi jatuh ke "ilayah ini, kelelahan fraktur tidak akan terjadi. 0ambar. 2 menunjukkan diagram Soderburg dari crankshaft yang diteliti bersama dengan titik operasi layanan. 5al ini berarti rata(rata dan tekanan pengganti dari fillet crankpin pertama yang telah diakui sebagai titik yang paling rentan terhadap patah menurut hasil elemen hingga. Sejak titik itu terletak di "ilayah aman, dapat disimpulkan bah"a kelelahan fraktur tidak terjadi di poros engkol. #erhitungan menunjukkan bah"a faktor keamanan mela"an kelelahan fraktur adalah +,.
0. Diskusi 8nalisis dinamik dilakukan di setiap posisi sudut engkol. 9ekanan setara yang terkena pada bantalan di setiap tahap layanan mesin dihitung.
9ekanan setara ditarik kembali di model elemen hingga dan didistribusikan pada permukaan yang tersisa jurnal untuk analisis setiap siklus mesin. 5asil /;M $Metode elemen hingga& mengungkapkan bah"a kasus yang paling berbahaya terjadi di crankpin pertama ketika silinder ketiga dibakar. 9egangan maksimum setara on Mises adalah ', M#a dimana sekitar 1- ? dari tegangan luluh material.
DA#TA+ P/STAKA
[1] 5eyes 8., B8utomatie component failuresC, ;ngineering /ailure
8nalysis ' $1332&1'3(+1. ['] =u E, Fu F., B/ailure analysis of a diesel engine crankshaftC, ;ngineering /ailure 8nalysis 1' $'44-&+2(3-. [)] ayrakceken 5, !cun G, 9asgetiren S., B/racture analysis of a camshaft made from nodular cast ironC, ;ngineering /ailure 8nalysis 1) $'44&1'+4(-. [+] 8si <., B/ailure analysis of a crankshaft made from ductile cast ironC, ;ngineering /ailure 8nalysis 1) $'44&1'4(. [-] ayrakHeken 5, 9asgetiren S, 8ksoy /., B/ailures of single cylinder diesel engines crank shaftsC, ;ngineering /ailure 8nalysis 1+ $'44&'-( )4. [] /onte M, de /reitas M., BMarine main engine crankshaft failure analysis 8 case studyC, ;ngineering /ailure 8nalysis 1 $'443&13+4(. [] Aang 7, Ehao 7, Aang D, B8nalysis of an unusual crankshaft failureC, ;ngineering /ailure 8nalysis 1' $'44-&+-(). [2] 0undlach :, Semchyshen M, Ahelan ;#., BSensitiity and /atigue in 8ustempered Ductile GronC, S8; 9echnical #aper 6o 3242-, $1332& [3] 5offmann >5, 9uronek :>, B5igh #erformance /orged Steel 7rankshafts ( 7ost :eduction
ournal of /atigue '3 $'44&)12('3. [11] >ensen ;>, B7rankshaft strength through laboratory testingC S8; 9echnical #aper 6o 44-', $134& [1'] 0uagliano M, 9erranoa 8, Jergani I., B9heoretical and ;perimental Study of the Stress 7oncentration /actor in Diesel ;ngine 7rankshaftsC
>ournal of Mechanical Design 11- $133)&+(-'. [1)] ;spadafor />, Jillanuea >, 0arcLa M9., B8nalysis of a diesel generator crankshaft failureC, ;ngineering /ailure 8nalysis 1 $'443&')))( +1. [1+] >.8. ecerra, /.>. >imene*, M. 9orres, D.9. Sanche*, ;. 7arajal, B/ailure analysis of reciprocating compressor crankshaftsC, ;ngineering /ailure 8nalysis 12 $'411& )-+1-. [1-] 7I88S 0!SS 0mb5, 9echnical Gnformation 6o. ' Spheroidal cast iron ;6(0>S $formerly 000&, http%%""".claasguss.de [1] Shiegly >oseph ;d"ard , 7harles :. Mischke, :ichard 0ordon udynas, Mechanical engineering design, Mc0ra"(5ill, '44+
T/)AS PE+PATA"AN DAN #AT3K
Analisis Kegagalan Pada Poros Engkol Mesin Diesel Empat Silinder Terbuat Dari Besi Cor Nodular
D3S/S/N (4E"
Senthot Dimas 5
TM S, 6 1-,-0,78
/N39E+S3TAS NE)E+3 SEMA+AN) SEMA+AN) -7,1
