RANCANG BANGUN ELEKTOMAGNETIK VIBRATION ENERGY RECOVERY SYSTEM (VERS) GENERASI 2 PADA SUSPENSI ISUZU PANTHER
WAHYU HENDRAWAN 2106100066 Dosen Pembimbing : Dr. Harus Laksana Guntur, ST. MEng
JURUSAN TEKNIK MESIN
Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
SIDANG TUGAS AKHIR BIDANG STUDI Desain
Latar belakang
LATAR BELAKANG Pemanfaatan Energi Losses TERS
KERS
VERS
PERUMUSAN MASALAH Bagaimana merancang alat yang dapat memanfaatkan gerak naik-turun pada sistem suspensi kendaraan untuk menghasilkan listrik Bagaimana susunan dan besarnya ukuran diameter roda gigi (gear) dan poros yang efektif untuk menghasilkan putaran. Bagaimana menentukan material yang tepat pada VERS agar alat ini dapat berfungsi dengan baik.
BATASAN MASALAH • Kecepatan dan percepataan kendaraan bernilai konstan. • Kendaraan yang diuji hanya mobil Isuzu Panther bak terbuka. • Analisa kekuatan material hanya pada roda gigi dan poros penggerak pada VERS
TUJUAN Merancang dan membangun alat pemanen energi pada sistem suspensi kendaraan roda empat (isuzu panther). Menentukan dimensi dari roda gigi,poros roda gigi agar alat pemanen energy (P-VERS) dapat berfungsi dengan baik dan benar. Memilih material yang tepat pada VERS agar alat ini berfungsi dengan baik dan biaya pembuatannya dapat terjangkau.
TINJAUAN PUSTAKA
Di dalam electromagnetic regenerative shock absorber ini terdapat dua komponen utama, yaitu kumparan yang sangat sensitif dan magnet permanen berbentuk cincin bersusun yang dikemas secara khusus untuk meningkatkan daya kemagnetannya. Kumparan tembaganya sendiri dililitkan pada tabung delrin yang disusun sejajar dengan susunan lingkar cincin magnet kemudian ujung-ujung kumparannya dihubungkan pada alat penyearah arus atau rectifier.
DASAR TEORI SISTEM SUSPENSI KENDARAAN RODA EMPAT
TEORI KEGAGALAN
SPUR GEAR
POROS
METODE PERHITUNGAN
Sistem suspensi Sistim suspensi adalah komponen kendaraan yang fungsi utamanya untuk menjamin kenyamanan penumpang jika kendaraan berjalan pada jalan bergelombang dan juga jika kendaraan berjalan pada berbagai jenis permukaan jalan serta berbagai model gerak dari kendaraan.
Spur gear Roda gigi lurus ( spur gear ) merupakan jenis roda gigi yang paling banyak digunakan. Fungsi dari roda gigi lurus ini adalah untuk mentransmisikan daya dan gerak pada dua poros yang sejajar. Bagian dari pasangan roda gigi yang berfungsi untuk menggerakkan roda gigi pasangannya disebut pinion. Sedangkan pasangan roda gigi yang digerakkan disebut gear ( driven ).
poros Poros adalah merupakan bagian atau elemen dari mesin yang dalam penggunaanya dapat berfungsi sebagai poros yang meneruskan tenaga, poros penggerak klep (camshaft), poros penghubung dan lain sebagainya. Jenis –jenis Poros , diantaranya adalah :
1. Shaft 2. Axle 3. Spindle
4. Line Shaft 5. Jack Shaft 6. Flexible Shaft
TEORI KEGAGALAN 1.
Maximum Normal Stress Theory
σ ( c ) max ≤ 2.
Syp( c ) N
Maximum Shear Stress Theory
Syp = τ max 2N
3.
Distortion Energy Theory 2
Syp 2 2 2 = σ + σ + σ 1 2 3 − σ 1σ 2 − σ 2σ 3 − σ 1σ 3 N
METODE PERHITUNGAN Metode dalam penelitian ini, menggunakan 2 metode yaitu : CLxCR 1. AGMA Ft . Co . Cs . Cm . Cf σ = Cp x Sad = Sac x c
2. LEWIS
CTxCR
Cv.b.d .I
Fd =
Fb = S o .b. y. p = S o .b
Y K f .P
600 + V p 600
Ft
untuk 0 < Vp < 2000 ft/menit
Fd =
1200 + V p 1200
Ft
untuk 2000 < Vp < 4000 ft/menit
Fd =
78 + V p 78
Ft
untuk Vp > 4000 ft/menit
METODoLOGI Diagram Alir Penelitian Pecara Global
START
Kajian Pustaka
Kinematika
Perencanaan Daya
Pengujian
Berhasil? Y Y
Kesimpulan
END
N N
GAMBAR PROTOTYPE
GAMBAR MOBIL
ANALISA DAN PEMBAHASAN Grafik Simulink matlab daya yang diterima VERS pada kecepatan mobil 36 km/jam dengan Constanta redaman Vers 10% pada roda belakang. Didapatkan daya dari root mean square (RMS) grafik sebesar 27,1 watt atau 0,003 Hp.
Grafik kecepatan naik turun suspensi mobil pada roda belakang, didapatkan kecepatan rata – rata naik turun suspense mobil pada roda belakang sebesar 0,36 m/s.
Dari grafik diatas didapat putaran awal untuk menggerakkan roda gigi jaw Dengan rumus : V suspensi = 2.π .r. n / 60 Dimana r adalah jarak antara tuas penggerak dengan pusat roda gigi jaw. 0,36 m/s = 2 . 3,14 . 4 cm. n / 60 n = 85 rpm
Analisa roda gigi Gear Jaw dan roda gigi 1 Data Gear jaw : Daya :0.03 HP Jenis Gear : spur gear Sudut tekan : 20 derajat coarse pitch Angka transmisi : 2.7 Putaran : 85 rpm Diameter : 3.14 in Lebar roda gigi : 0.9 inch Jumlah gigi: 31 Diametral pitch : 10 Lewis from factor : 0.361
roda gigi 1 Data Gear 1 Jenis Gear : Spur gear Sudut tekan : 20 derajat Daya : 0.03 HP Angka transmisi : 2.7 Putaran : 229 rpm Diameter : 1.61 in Lebar roda gigi : 0.9 in Jumlah gigi: 16 Diametral pitch : 10 Lewis from factor : 0.295
Perancangan roda gigi jaw dan roda gigi 1 • Jarak roda gigi • Torsi masing – masing roda gigi • Gaya – gaya pada masing – masing roda gigi jaw dan roda gigi 1
• Kecepatan pitch line (Vp) • Beban dinamik (Fd)
• Lewis Equation (mencari bahan roda gigi) b : 0.9 inchi φ : 20 Ntp : 31 (Dari tabel 10-2,deutchman didapat Y = 0.361 )
Jadi karena nilai Safe static stress(so) = 486.61 Psi maka bahan material roda gigi 1 dan jaw yang digunakan cukup Gray cast iron ASTM 25 dengan BHN 174. Sedangkan alat yang kita pakai memakai bahan gray cast iron ASTM 37(So = 1200Psi ;BHN 212),jadi sudah sangat kuat dan tahan terhadap keausan dan tegangan bending.
Check roda gigi berdasarkan Wear Load (Buckingham)
F w = dp . b . Q . K
dp = Diameter pitch pinion b = Lebar roda gigi K = Wear load factor (tabel 10.11) Q=
Fw = 1,61 x 0,9 x 0.6778 x 264 = 259,28 lb.f Jadi Fw = 1,61 x 0,9 x 0.6778 x 264 = 259,28 lb.f Karena Fw ≥ Fd 259,28 lb.f ≥ 15,81 lb.f Maka Fw ≥ Fd ( maka bahan memenuhi syarat keausan Buckingham )
Pengecekan dengan Metode AGMA Bending Sad =
S at ⋅ K L KT ⋅ KR
Sad = Tegangan ijin maksimum. Untuk bahan ASTM 37 (212 BHN) diperoleh data sebagai berikut : Sat = 8500 Psi Tegangan ijin material (tabel 10-7 atau gambar 10-24, Deutschman) KL = 1.4 take as unity Life factor (tabel 10-8, Deutschman) KT = 1 Faktor temperatur KR=1.33 normal design Faktor keamanan (tabel 10-9, Deutschman)
Sad =
8500 psi.1.4 1.x1.33
= 8947,37 lb
Pengecekan dengan Metode AGMA Bending σt = σt = Tegangan di kaki roda gigi Ft = Gaya tangensial roda gigi Ko = Faktor koreksi beban lebih J = Faktor geometri P = Diametral pitch Ko = 1 ( uniform,table 10-4 ) P = 10 ( diametral pitch )
Ft ⋅ K O ⋅ P ⋅ K S ⋅ K m KV ⋅ b ⋅ J
Ks = Faktor koreksi ukuran Km = Faktor distribusi beban Kv = Faktor dinamik b = Lebar roda gigi Ft = 14.16 lb.f ( dari data awal perhitungan gaya ) Ks = 1 ( for spur gear take as unity ) Km = 1,6 ( table 10-5 , spur gear ) Kv = 0,86 ( dengan Vp= 69.83 ft /min ,fig 10-21 ) b = 0.9 (dari data awal perencanaan ) J = 0,35 ( 20 FD, Ntp = 31, Ntg = 16, fig 10-22 )
σt = 14.16lb.1.10.1.1,6 = 839,61Psi 0,86.0.9.0,35
karena Sad > σt 8947,37 Psi > 839,61Psi maka Sad > σt maka check roda gigi terhadap ketahanan bending AGMA aman
Pengecekan Keausan dengan AGMA Wear Equation σc =
CP ⋅
Ft ⋅ C o ⋅ Cs ⋅ C m ⋅ C f Cv ⋅ d ⋅ b ⋅ I
C ⋅C ≤ Sac ⋅ L H CT ⋅ C R
σc = Tegangan kompresi Cp = Faktor ketahanan dalam elastisitas properties material Co = Faktor koreksi beban Cs = Faktor koreksi umum Cm = Faktor koreksi beban untuk pengurangan dengan sistem roda gigi yang pertama Cf = 1, jika roda gigi difinished bagus Cv = Faktor dinamik Cp= 1800 psi gear and pinion steel (tabel 10-12, Deutschman), Ft = 14.16(dari data awal perencanaan ) d= Diameter Co= 1 (sama dengan Ko ) b= Lebar roda gigi Cv= 0.86 (dengan Vp=69.83 curve 2, fig 11-27 ) I = Faktor geometri Cs= 1 ( take a minimum value ) Sac= Tegangan maksimum bahan Cm= 1.1 ( spur gear b= 0.9 inchi, fig 10-31 ) CL = Faktor umur Cf= 1,25 (finising halus) CH= Faktor kekerasan I= 0.115 ( Ntp=31, fig 10-32 ) CT = Faktor temperatur CR = Faktor keamanan = 1, dari tabel 10-16 jika 1 dari 100 yang rusak
Pengecekan Keausan dengan AGMA Wear Equation 14.16lb.1.1.1,1.1,25 σc = 1800 0.86.3.14.0.9.0,115 = 15052,96 Psi
• Cek keausan σc <
C ⋅C S ac ⋅ L H CT ⋅ CR
Sac= 75.000 ( dari ekstrapolasi table 10-14 ) CL = 1 (fig 10-33, assumsi umur 10 ) CH = 1 ( K < 1.2 fig 10-34 ) CT = 1 (take as unity ) CR = 1 ( table 10-16,fewer than 1 in 100 ) 15052,96 < 75000 1.1 1.1
19234.33Psi < 75000Psi( memenuhi untuk keausan AGMA )
Analisa poros POROS 1 •
Data poros 1.
Diameter roda gigi jaw (djaw) : 3,14 in Lebar roda gigi 1 (bjaw) : 0,9 in Gaya tangensial roda gigi 1 (Ftjaw) : 14,15 lbf.in Gaya radial roda gigi 1 (Frjaw) : 15,5 lbf.in Berat roda gigi 1 (Wjaw) : 1 lb Bahan poros malleable cast iron ASTM A47 Su = 50000 psi Syp = 32500 psi
Analisa Bidang Horisontal (Bidang X – Z)
Σ MB = 0 -[Az x 4,82 in] + [FTjaw x 3,93in] = 0 AZ =
(Ftjaw x 3,93) (4,82)
= 11,78 lbf
Σ MA = 0 -[Bz x 4,82 in] + [FTjaw x 0,79in] = 0 BZ = (Ftjaw x 0,79) (4,82)
= 2,36 lbf
Analisa Bidang Vertikal (Bidang X – Y) Fr jaw + W
Y x
Ay
By
Σ MA = 0
Σ MB = 0 -[Ay x 4,82 in] + [(FRjaw +W) x 3,93in] = 0
-[By x 4,82 in] + [(FRjaw +W) x 0,79in] = 0 ((FRjaw + W) x 0,79) (4,82)
AZ = ((FRjaw + W) x 3,93)
By =
= 13,73 lbf
= 2,76 lbf
(4,82)
ANALISA TEGANGAN BIDANG HORIZONTAL ( X – Z )
Potongan 1 – 1 (0 ≤ x ≤ 079 in)
Potongan 2 – 2 (0 ≤ x ≤ 3,93in)
ΣM1-1 = 0 M1 -1 - Az (x1) = 0 M1 -1 = Az (x1) x1 = 0 in Mx1 = 0 lbf.in x2 = 0,79 Mx2 = 9,30 lbf.in
ΣM2-2 = 0 M2 -2 - Bz (x2) = 0 M2 -2 = Bz (x2) x1 = 0 in Mx1 = 0 lbf.in x2 = 3,93 Mx2 = 9,30lbf.in
ANALISA TEGANGAN BIDANG VERTIKAL ( X – Y )
Potongan 1 – 1 (0 ≤ z ≤ 0,79 in)
Potongan 2 – 2 (0 ≤ z ≤ 3,93 in)
ΣM1-1 = 0 M1 -1 – AY (z1) = 0 M1-1 = Ay (z1) z1 = 0 in Mz1 = 0 lbf.in z2 = 0,79 Mz2 = 10,85 lbf.in
ΣMy = 0 M2 -2 – By (z2) = 0 M2 -2 = By (z2) z1 = 0 in Mz1 = 0 lbf.in z2 = 3,93 Mz2 = 10,85 lbf.in
• Momen bending terbesar MC = • Momen torsi di titik C TI =22,23 lbf.in •
Bahan poros malleable cast iron ASTM A47 : Su = 50000 psi ; Syp = 32500 psi
•
Diameter poros yang digunakan adalah 0,57 in.
HASIL PERANCANGAN
KESIMPULAN •
Dari Perancangan VERS (Vibration energy recovery system) pada mobil isuzu panther bak terbuka yang sudah dilakukan,VERS sudah berjalan dengan baik dan mampu menyerap energi dari naik turunnya suspensi kendaraan.
•
Dari VERS yang dibuat didapat diameter roda gigi masing-masing adalah roda gigi jaw 3,14 inch ; roda gigi 1: = 1,61 inch ; roda gigi 2 = 2,36 inch ; roda gigi 3 = 0,94 inch ; roda gigi 4 = 2,36 inch ; roda gigi 5 = 0,94 inch ; roda gigi 6 = 2,36 inch dan roda gigi 7 = 0,94 inch.
•
Dari VERS yang dibuat didapat jumlah gigi roda gigi masing-masing adalah roda gigi jaw 31 buah ; roda gigi 1: = 16 buah ; roda gigi 2 = 23 buah ; roda gigi 3 = 10 buah ; roda gigi 4 = 23 buah ; roda gigi 5 = 10 buah ; roda gigi 6 = 23 buah dan roda gigi 7 = 10 buah.
•
Dari Vers yang dibuat didapat diameter poros yang aman adalah poros 1 = 0.57 inch, poros 2 = 0.59 inch, poros 3 = 0,47 inch, poros 4 = 0,47 inch, poros 5 = 0,47 inch.
•
Dari pengecekan kekuatan dan keausan,roda gigi telah memenuhi untuk uji keandalan dan sangat kuat terhadap gesekan terhadap roda gigi yang lain
TERIMA KASIH
