Bab III Analisa Roda Daya ( Fly Wheel )
Roda daya ( fly wheel ) adalah sebuah massa yang berputar yang dipergunakan dipergunaka n sebagai penyimpan tenaga / energi didalam sebuah mesin. Energi yang disimpan dalam roda daya berupa energi kinetik yang besarnya adalah EK= ½ Ioω2
; dimana Io adalah momen inersia massa dari roda daya terhadap sumbu putarnya. Prinsip dasar kerja roda daya adalah menyimpan energi pada saat putaran mesin bertambah dan pada saat mesin membutuhkan energi roda daya memberikan energi yang tesimpan. Ada 2 jenis mesin yang memanfaatkan roda daya dalam pengoperasiannya, pengoperasiannya, yaitu : a. mesin-mesin penggerak penggerak ( motor bakar, bakar, generator generator listrik, listrik, dll). dll). b. mesin-mesin pembuat lubang atau mesin mesin penghancur penghancur batu. Pada mesin otomotif (motor bakar), misalnya pada motor 4 langkah, dimana langkah yang menghasilkan tenaga hanya terjadi sekali pada setiap 4 langkah torak, maka roda daya akan memberikan “energi simpanannya” pada 3
langkah lain yang tidak menghasilkan tenaga. Sedangkan pada mesin-mesin pelubang dan pemecah, energi akan dikumpulkan terlebih dahulu dengan cara memutar roda daya pada putaran tertentu dengan jangka waktu tertentu pula sehingga pada saat mesin membutuhkan energi yang sangat besar ketika melakukan pelubangan / pemecahan, roda daya dapat akan melepaskan “energi simpanannya”. Dengan
demikian kebutuhan energi yang sangat besar untuk membuat lubang dapat dikurangi.
3.1
Koefisien Fluktuasi Kecepatan
Koefisien fluktuasi fluktuasi kecepatan ( δ ) adalah variasi kecepatan kecepatan yang diijinkan pada
roda daya dan didifinisikan sebagai : δ=
1 2
atau
δ=
keterangan : 1 =
kec. sudut maksimum roda daya; daya;
40
V 1 V 2 V
2 =
kec. sudut minimum roda daya
= kec. sudut rata-rata roda daya
=
1
2
2
V1 = kec. maksimum suatu titik pada roda daya; V2 = kec. minimum suatu titik pada roda daya V = kec. rata-rata suatu titik pada roda daya ;V =
V 1 V 2 2
Harga koefisien fluktuasi kecepatan yang biasa digunakan dalam praktek berkisar antara 0,02 untuk genetaror listrik sampai dengan 0,2 untuk mesin pemecah batu, mesin pelubang ( punch ) dan mesin –mesin giling. 3.2
Menentukan Berat Roda Daya
Apabila
1 =
kec. sudut maksimum roda daya 2 =
kec. sudut minimum roda daya
Io = momen inersia massa roda daya terhadap sumbu putarnya. Maka perubahan energi kinetik ( Δ Ek ) roda dayapada kecepatan maksimum
dan kecepatan minimumnya adalah Δ Ek = ½ Io ω12 -
½ Io ω22
= ½ Io (ω12 – ω22) = ½ Io (ω1 + ω2) (ω1 - ω2 ) =½ Io (ω1 + ω2) (ω1 - ω2 )
= Io
1
2
1 2
2
= Io δ
= Io δ 2 Bila k = jari-jari girasi roda daya thdp. sumbu putarnya. W = berat roda daya
maka
Io =
W g
2
k
dan Δ Ek =
W g
2
k δ 2
41
, sehingga
W=
g . Ek k 2 2
Apabila r = radius rata-rata roda daya, dan berat roda daya diasumsikan terkonsentrasikan pada radius rata-rata, maka: jari – jari girasi (k) = radius rata-rata (r) dan
Dengan menggantikan V =
V 1 V 2 2
=
V r
, maka :
2
g Ek V 1 V 2 g Ek W= = 2 V 1 V 2 2 V V
Atau
2 g Ek
W=
2
V 1
2
V 2
Bila roda daya berupa disk ( piringan ) maka momen inersia massanya adalah :
Io = ½ (
W g
) R2
sehingga harga Δ Ek = ½ (
atau
W=
W g
2
2
)R δ = =½(
W g
2
)R δ
V 2 R 2
2 g Ek 2
V
Berat sesungguhnya dari rim roda daya dapat diambil sebesar 90 % dari berat yang dihitung dengan rumus-rumus diatas untuk memperhitungkan efekefek lengan dan hub roda daya dan badian lain yang ikut berputar. Dan dengan mempertimbangkan gaya sentrifugal yang terjadi akibat putaran, maka kecepatan roda daya maksimum untuk material baja adalah 40 m/detik dan untuk besi tuang adalah 30 m/detik.
42
3.3
Aplikasi Pemakaian Flywheel Pada Mesin Punch Suatu lubang berdiameter (d) = 20 mm pada plat AISI 1030 setebal 22
mm. Mesin punch yang dipergunakan dapat menghasilkan 30 lubang setiap menit, sedangkan waktu proses actual pelubangan adalah 10%
waktu antar
pelubangan. Motor penggerak yang dipergunakan mempunyai putaran 210 rpm. Apabila semua gesekan dan buatlah perhitungan apabila :\ 1). Proses pelubangan tanpa menggunakan flywheel. 2). Proses pelubangan apabila menggunakan flywheel. Analisis :
Waktu untuk setiap pelubangan adalah :
Waktu aktual untuk pelubangan adalah :
AISI 1030 τ = 360 N/mm2
τ=
dengan A = luas bidang potong
atau F = τ . A
;dan A = π . d . t
d = diameter lubang = 20 mm t = tebal plat = 22 mm τ = tegangan geser plat.= 360 N/mm2 sehingga:
F = τ.A = τ.π.d.t
= 360 N/mm2 . π . 20 mm . 22 mm = 497.630 N Grafik dari gaya selama pelubangan actual sebagai fungsi langkah adalah seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini
F max
punch
Ga a plat
t die langkah
Gambar 3.1 Grafik kerja versus langkah pada proses
punching
43
Kerja yang diperlukan untuk 1 kali pelubangan sama dengan luasan daerah yang diarsir pada grafik gaya sebagai fungsi dari langkah. Pendekatan dengan asumsi luasan sebagai sebuah segitiga, maka kerja untuk satu kali pelubangan adalah : W= Sehingga:
luasan kerja
luas segitiga !!
W=
Berikut ini adalah perhitungan tenaga yang dibutuhkan apabila mesin punch menggunakan flywheel dan tanpa flywheel. 1)
Tanpa flywheel
Waktu aktual 1 kali pelubangan (a time) = Tenaga aktual dalam 1 pelubangan dalam waktu detik ( N ) N = W/ atime = 5474 Nm / 0,2 detik = 27370 Nm/detik = 27,37 kW Apabila semua efisiensi sistem diperhitungkan maka ukuran motor listrik yang dibutuhkan mencapai ± 54 kW 2)
Dengan menggunakan flywheel
Tenaga yang harus diberikan flywheel adalah 5474 Nm dalam waktu 1/5 detik. Tenaga tersebut diatas diberikan oleh motor dalam waktu 2 detik. Jadi dalam waktu 1 detik motor memberikan tenaga sebesar : N= Sehingga apabila efisiensi system diperhitungkan, maka ukuran motor listrik yang dibutuhkan hanya sebesar maksimum 6 kW. 3)
Menentukan berat flywheel
Untuk menentukan berat flywheel , perhatikan grafik kerja versus waktu berikut ini.
b
i f
a
e 9/5
h c
d 1/5
2 detik
Gambar 3.2 Grafik kerja versus waktu pada proses punching
44
Luas a – b – c – d – a
= kerja yang diberikan motor selama 2 detik
Luas e – f – g – h – d – e
= kerja yang diperlukan selama pelubangan aktual = 5474 Nm
Luas e – i – c – d – e
= kerja yang diberikan motor listrik selama waktu pelubangan actual = 1/10 . ( 5474 Nm) = 547,4 Nm.
Maka kerja yang diberikan flywheel selama waktu peluban gan (∆E) adalah, = (luas e – f – g – h – d – e ) – (luas e – i – c – d - e) = 5474 Nm – 547,4 Nm = 4926,4 Nm.
Bila diameter rata-rata flywheel adalah = 75 cm, maka kecepatan maksimum flywheel adalah : .
Bila pengurangan kecepatan yang diijinkan adalah 10%, maka kecepatan minimum flywheel adalah
Berat flywheel (m) adalah : m=
=
Bila flywheel adalah jenis rim, maka berat flywheel = 90% x 7431,6 N = 6688,4 N
3.4
Analisis Flywheel Pada Otomotif
Pemakaian flywheel pada otomotif dimaksudkan agar putaran yang dihasilkan mesin rata. Hal ini dapat diuraikan sebagai berikut :
Pada saat mesin kelebihan tenaga, maka kelebihan tenaga ini akan disimpan dalam flywheel berupa 45nergy kinetikflywheel.
45
Sedangkan pada saat mesin kekurangan tenaga, maka flywheel akan memberikan simpanan tenaganya.
Untuk menentukan berat flywheel yang diperlukan, tinjauan dilakukan pada motor empat langkah silinder tunggal. Dalam hal ini, berat flywheel ditentukan oleh tenaga maksimumyang harus disimpan flywheel dalam satu langkah (2 putaran engkol). Besarnya tenaga dari mesin dapat dilihat dari torsi keluaran (output torsion) yang dihasilkan engkol. Gambar berikut adalah skema kerja motor 4 langkah dan
grafik dari torsi
keluaran yang dihasilkan engkol sebagai fungsi sudut engkol.
1. Langkah Tenaga
2. Langkah Pembuangan
3. Langkah Hisap
4. Langkah Kompresi
Gambar 3.3 Skema prinsip kerja mesin otomotif 4 langkah
46
Gambar 3. 4 Grafik Torsi Keluaran vs Sudut Engkol
Luasan yang diarsir yang berada di atas garis nol menunjukkan terjadinya penambahan tenaga, yang dapat diartikan terjadi penambahana kecepatan. Sedangkan luasan arsiran yang berada di bawah garis nol menunjukkan terjadinya pengurangan tenaga dan dapat diartikan terjadi pengurangan kecepatan. Jumlah luasan yang diarsir menunjukkan kerja mesin tiap langkah (2 putaran).Dan ordinatnya didapat dengan membagi kerja mesin tiap langkah tenaga dengan 2 ( 2 π R ), dimana R adalah jari -jari engkol.
Luas arsiran yang berada di atas garis nol terbesar berada paling kiri dan yang terkecil di sisi kanan. Penambahan kerja terbesar terjadi pada langkah tenaga dari titik A sampai B. Jadi kecepatan mesin maksimum terjadi di titik B dan kecepatan minimum di titik G. Penambahan tenaga secara maksimum oleh flywheel dimulai pada saat kecepatan mesin minimum di titik G sampai mulai mesin mencapai kecepatan maksimum di titik B seperti ditunjukkan oleh (luasan I) + (luasan VII) – (luasan VIII). Jadi penambahan tenaga maksimum dalam 1 kali langkah tenaga adalah :
E = (luas I) + (luas VII) – (luas VIII)
47
Berat flywheel yang diperlukan dihitung dengan persamaan berikut :
W=
× × 2
Dan apabila flywheel berupa disk, berat flywheel dihitung dengan persamaan berikut: W=
2× ×
× 2
Catatan : Pada analisis untuk flywheel disini terdapat beberapa asumsi, antara lain:
beban dianggap konstan
kecepatan mesin dianggap konstan, dengan demikian percepatan engkol nol.
kecepatan rata-rata flywheel dianggap sama dengan kecepatan kerja mesin (engkol)
Asumsi-asumsi di atas akan menyebabkan penyimpangan perhitungan sangat kecil.
48
/
kesalahan
Soal-soal 1. Diketahui : Sebuah skematis diagram proses mesin pelubang sebagai berikut
Roda gigi 2
poros engkol bantalan
Roda gigi 1
fl wheel
ram punch plat S45C
Motor listrik
die Put. motor listrik 1440 rpm, jumlah gigi pada roda gigi 1 = 60, roda gigi 2 = 240 Tebal plat = 15 mm, diameter punch = 20 mm,
t
= 700 N/mm2
Ø flywheel = 600 mm, terbuat dari baja dengan = 7,8 kg/cm3 Kemampuan mesin membuat lubang adalah 60 lubang/menit dan waktu proses pelubangan aktual adalah 1/3 waktu siklus. Tentukan : a. Ukuran daya motor tanpa flywheel dan bila dengan flywheel. b. Bila drop kecepatan max. 10% dan tentukan berat dan tebal flywheel yang berbentuk plat rata ( flat disk flywheel ),
2. Sebuah pulley Ø 75 mm dipasang pada motor listrik yang memiliki putaran 1440 rpm, dihubungkan dengan menggunakan V belt untuk menggerakkan pulley yang Ø 750 mm sebagai penggerak poros flywheel pada sebuah mesin punch yang berkapasitas pelubangan 60 lbg / menit. Bila sebuah lubang Ø 18 mm pada selembar plat St.60 yang tebalnya 22 mm hendak dibuat dengan menggunakan mesin punch ini dengan ketentuan drop kecepatan maks. 10 %, waktu pelubangan aktual 1/2 waktu siklus, Tentukan ukuran motor listrik bila proses punching tanpa dan dengan flywheel. Berat dan tebal flywheel tipe disk bila Ø flywheel 950 mm dan terbuat dari besi tuang ( ρ = 7,6 ).
49
