persentasi akhir
DESCRIPTION
PERANCANGAN KONTRUKSI MESIN URTRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Hingga akhir tahun 2011, produksi minyak Indonesia mencapai 902 ribu
barel per hari, terdiri dari minyak 794 ribu barel per hari dan kondensat 108 ribu
barel per hari. Nilai ini lebih rendah 4,5% dibandingkan produksi minyak
Indonesia tahun sebelumnya dan target produksi/lifting minyak bumi di dalam
APBN-P 2011 sebesar 945 ribu barel per hari.
Seharusnya tingkat produksi minyak nasional dapat mencapai 912 ribu
barel per hari, karena sepanjang 2011 terdapat 7 proyek baru yang dapat
meningkatkan produksi minyak hingga 15 ribu barel per hari, namun karena
proyek tersebut baru dapat onstream pada kuartal 3 atau 4 maka efek penambahan
produksi yang dapat diberikan rata-rata dalam setahun hanya sekitar 5 ribu barel
per hari.
Grafik 1.1 Produksi Minyak Nasional
Dari grafik diatas sudah terlihat jelas bahwa tiap tahun produksi minyak
bumi di indonesia semakin lama menurun, karena minyak bumi merupakan sisa-
sisa fosil yang tidak bisa di daur ulang lagi atau di produksi lagi. Sehingga butuh
energi terbarukan untuk menghindari punahnya minyak bumi berupa seperti mobil
listrik, motor listrik, dll. Oleh karena itu kami ingin membuat suatu alat re-desain
yang inovatif dan ramah lingkungan serta tahan lama, dengan judul “flywheel
electric bicycle”.
Kondisi alat saat ini yang ditemukan pada tahun 2011, oleh Maxwell von
Stein, seorang mahasiswa di Cooper Union adalah sebuah sepeda yang memiliki
prinsip yang sama seperti mobil hibrida yang mengunakan flywheel sebagai
penyimpan dan menyalurkan energi kinetik dari sepeda. Teknologi ini
mengunakan 7 kg besi cor yang diambil dari mesin mobil. Roda gila ditaruh di
tengah bingkai sepeda dan direkatkan ke roda belakang melalui transmisi variable
berkelanjutan. Untuk kendala alat yang telah ditemukan ini adalah tidak bisa
memanfaatkan putaran dari roda gila dari sepeda tersebut.
Gambar 1.2 Kondisi alat yang telah ada
Dari kendala alat tersebut maka dari kelompok kami memberikan solusi berupa penambahan sebagai berikut:
1. Generator
Yang digunakan untuk merubah putaran dari roda gila menjadi energi
listrik yang dihubungkan ke roda belakang.
2. Baterai Lithium
Yang digunakan untuk menyimpan energi listrik dari generator sehingga
energi listrik yang dihasilkan dapat dimanfaatkan kembali.
1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari pembuatan alat ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui Kegunaan Flywheel dikalangan masyarakat
BAB II
KONSEP DESAIN
2.1 Konsep Produk
Dari konsep produk yang telah ditentukan ada beberapa alternatif desain
perancangan alat flywheel electric bicycle ini yang mana akan dilanjutkan dalam
proses pembuatan desain 3D.
Adapun alternatif desain yang dihasikan adalah sebagai berikut:
2.1.1 Pengembangan Konsep Produk Pertama
Gambar 3.1 Skets Konsep Produk Pertama
Keterangan :
Konsep ini mengunakan flywheel yang diletakan ditengah bingkai sepeda
yang mana dihubungkan mengunakan rantai. Sedangkan untuk menghubungkan
flywheel ke generator mengunakan rantai. Kemudian generator menghasilkan
listrik dari gaya dayung pedal menuju beterai sepeda, sehingga listrik yang
dihasilkan dapat digunakan dengan sebaik mungkin.
Namun dari alternatif desain ini memiliki kesulitan dalam proses
pembuatan bingkai yang sesuai dari alternatif desain pertama. Dan lendutan yang
terjadi pada bingkai roda depan sangat fatal, sehingga tidak dilanjutkan untuk
didesain
Flywheel
Generator
Baterai
Rantai
2.1.2 Pengembangan Konsep Produk Kedua
Gambar 3.2 Skets Konsep Produk Kedua
Keterangan :
Konsep ini hampir identik dengan konsep produk pertama, namun
perbedaannya terletak pada desain bingkai sepeda dan transmisi yang digunakan
dari flywheel ke generator mengunakan belt. Kemudian letak baterai yang berada
diatas bingkai yang tujuanya agar memudahkan untuk mengunakan listrik yang
dihasilkan.
2.1.3 Pengembangan Konsep Produk Ketiga
Gambar 3.3 Skets Konsep Produk Ketiga
Keterangan :
Konsep desain produk ketiga ini digunakan untuk keluarga, prinsip kerja
dari konsep produk ketiga berbeda dari sebelumnya yang mana gaya yang
diberikan kepada pedal langsung menuju flywheel kemudian ditransmisikan roda
Flywheel
Baterai
Generator
Flywheel
GeneratorBaterai
Rantai
Belt
belakang menuju generator kemudian dialirkan ke baterai untuk menyimpan
energi listrik sehingga dapat menguragi pengeluran biaya bulanan.
2.2 Evaluasi Konsep Produk
Untuk menentukan desain yang akan dipilih maka ada beberapa kriteria
yang menjadi pertimbangan yang akan dilanjutkan menjadi sebuah benda jadi
yaitu berupa berat, ergonomis, perawatan, ongkos produksi, kesulitan proses
manufaktur, keamanan, transmisi, kuat dan tahan lama.
Tabel 3.1 Matriks Pengambil Keputusan Untuk Flywheel Electric Bicycle
No Kriteria Bobot (%)
Alternatif Konsep Produk Total Keseluruhan 1 2 3
1 Berat 10 4x10% 4x10%4x10
%5x10%
2 Ergonomis 10 3x10% 4x10%4x10
%5x10%
3 Perawatan 10 3x10% 3x10%3x10
%5x10%
4 Ongkos produksi 12 3x12% 4x12%3x12
%5x12%
5Kesulitan Proses
Manufaktur12 3x12% 4x12%
3x12
%5x12%
6 Keamana 12 2x12% 4x12%3x12
%5x12%
7 Transmisi 15 3x15% 3x15%3x15
%5x15%
8Kuat dan Tahan
Lama13 4x13% 4x13%
4x13
%5x13%
9Komponen Tidak
Banyak 6 3x6% 4x6% 3x6% 5x6%
Total 100 34,56% 41,67 % 37 % 55,56%
Keterangan :
Nilai : 1, 2, 3, 4, 5
1. : Sangat Buruk
2. : Buruk
3. : Cukup
4. : Baik
5. : Sangat Baik
Berdasarkan penilaian di atas maka yang memiliki bobot tertinggi adalah
alternatif konsep kedua, yaitu dengan jumlah nilai 41,56 % dari total keseluruhan
55,56% , desain kedua berupa flywheel yang dilekakan ditengah-tengah bingkai,
kemudain desain dari alternatif ke-2 dengan bingkai yang sederhana dan
komponen yang tidak banyak. Sehingga bisa ditetapkan sebagai konsep rancangan
yang akan dilanjutkan.
BAB IV
PERHITUNGAN GAYA
Gambar 4.1 Illustrasi Sistematika Putaran
Keterangan :
1. Sprocket Pedal
2. Sprocket Roda Belakang
3. Roda Belakang
4. Sprocket Penghubung Flywheel
5. Flywheel
6. Pully Diameter Kecil
7. Pully Diameter Besar
4.1 Sistem Transmisi Rantai
21
3
4
5
6
7
Gambar 2. Bagian-Bagian Sprocket
Tabel 1: Ukuran Sprocket Yang Akan Digunakan
Z PCD ODBD max HD HL W
9 27.85 32 11 22 20 0.0614 42.80 47 18 32 20 0.1244 133.52 139 42 63 25 0.9755 166.85 172 42 63 25 1.25
Diasumsikan Rata-rata kecepatan bersepada adalah 15 km /h=4.16 m / s , pada
sepeda dengan diameter roda belakang 700 mm
Sehingga kecepatan sudut roda menjadi:
ωroda=vr=4.16 m /s
0.35 m=11.89
rads
=113.54 rpm
1 rad /s=
1602 π
rpm
Sprocket yang digunakan adalah sprocket 18T untuk belakang dan sprocket 44T untuk depan dengan diameter pitch masing-masing adalah 54.85 mm dan 133.52 mm.
Sehingga:
ωroda=ωsprocketbelakang , dan
vsprocketbelakang (1 )=v sprocketbelakang (2)
Maka, kecepatan sudut yang dibutuhkan pada pedal adalah:
ω1r1=ω2 r2
ω1 x133,52 mm
2=113.54 rpm x
54.85 mm2
ωPedal=113.54rpm x27.425 mm
66.76 mm=46,64 rp m
Diketahui N roda=113.54 rpm, Z roda=55 T , ZFlywheel=9T . Berapakah N Flywheel ?
N sproket Flywheel=N roda . Z roda
ZFlywheel
=113.54 rpm.559
=694 rpm
N pully generator=N flywheel . r pullykecil
r pullybesar
=694 rpm.50.8 mm76.2mm
¿462.6 rpm
4.2 Daya pada pedal
Daya pada pedal adalah jumlah seluruh daya minimum pada setiap
element yang digunakan. Dan waktu yang diperlukan adalah sama 1 menit.
Daya pada sproket Pedal (44T)
D pitch=133.52 mm, r=0.06676m, dan massa 0.97kg, n= 46.64 rpm
I=12
×m ×r2=0.97 × 0.066762
2=2.16 ×10−3 kg . m2
α=ωt=46.64 rpm× 2× π
60 s×60 s=0.081
rad
s2
T=I × α=2.16 ×10−3kg .m2 ×0.081rad
s2=1.74 ×10−3 Nm
P 2=T × ω=1.74×10−3 Nm× 4.88rad
s=8.49× 10−3 w
Daya pada sproket kecil roda belakang (18T)
Dpitch=54.85 mm, r=0.027 m, dan massa 0.25kg, n=113.54 rpm
I=12
×m ×r2=0.25 × 0.0272
2=9.1125× 10−5 kg . m2
α=ωt=113.54 rpm× 2× π
60 s× 60 s=0.198
rad
s2
T=I × α=9.1125× 10−5 kg . m2× 0.198rad
s2=1.8 ×10−5 N m
P 1=T × ω=1.8 × 10−5 Nm× 7.94rad
s=14.292× 10−5 w
Daya pada sproket besar roda belakang (55T)
D pitch=166.85 mm, r= 0.0834 m, dan massa 1.25 kg , n=113.54 rpm
I=12
×m ×r2=1.25 ×0.08342
2=4.35 ×10−3 kg .m2
α=ωt=113.54 rpm× 2× π
60 s× 60 s=0.198
rad
s2
T=I × α=4.35 ×10−3 kg . m2×0.198rad
s2=0.86 ×10−3 Nm
P 4=T × ω=0.86 ×10−3 Nm×7.94rad
s=6.828 × 10−3 w
Daya pada Sproket Flywheel (9T)
D pitch=27.85 mm, r= 0.013925 m, dan massa 0.06 kg , n=694 rpm
I=12
×m ×r2=0.06 × 0.0139252
2=0.0058 ×10−3kg .m2
α=ωt=694 rpm ×2× π
60 s×60 s=1.21
rad
s2
T=I × α=0.0058 ×10−3kg .m2 ×0.198rad
s2=1.1484 ×10−3 Nm
P 5=T × ω=1.1484 ×10−3 Nm× 72.67rad
s=83.45 × 10−3 w
Pulley kecil
D= 50.8mm, tebal=15 mm, ρalumuni um=2700 kg /m3, n= 694 rpm
m=ρ ×V =2700kg
m3× 2× π × 0,02542×0.015=0.164 kg
I=m× r2
2=0.164 × 0,02542
2=5.2 x10−5 kg .m2
α=ωt=694 rpm ×2 × π
60 s×60 s=1.21
rad
s2
T=I × α=5.2 x 10−5 kg . m2× 1.21rad
s2=6.292 x10−5 Nm
P 6=T ×ω=6.292 x10−5 Nm×72.67rad
s=4,57 x10−3 w
Pulley besar
D= 76.2 mm, tebal= 15 mm, ρalumunium=2700 kg /m3, n= 462.6 rpm
m=ρ ×V =2700kg
m3× 2× π× 0. 03812× 0.015=0.36 kg
I=m× r2
2=0.36 × 0. 03812
2=2.61 x10−4 kg . m2
α=ωt=426.6 rpm×2 × π
60 s×60 s=0.7445
rad
s2
T=I × α=2.61 x 10−4 kg . m2 ×0.7445rad
s2=1.94 x10−4 Nm
P 3=T × ω=1.94 x10−4 Nm× 48.44rads
=9.39 x10−3 w
Daya minimum pada pedal adalahPpedal=Pgeneratror+P sproket44 T+P sproket18 T+P sproket55 T
+P sproket9 T+Ppully kecil+P pullybesar
Ppedal=150W +8.49 ×10−3 w+14.292 ×10−5w+6.828 ×10−3w
+83.45 × 10−3 w+4,57 x10−3w+9.39 x10−3 w
Ppedal=150.1129W
4.3 Pitch of chain
adalah jarak antara pusat engsel link dan pusat engsel yang sesuai dari link
yang berdekatan, seperti ditunjukkan pada Gambar dibawah ini biasanya
dilambangkan dengan p.
Gambar 3 : Ilustrasi Jarak Antar Pitch
A. Jarak Pitch Rantai Dari Pedal Ke Roda Belakang
p=D sin (180°
Z )p=133,52 mm. sin( 180°
44 )=9,525 mm
B. Jarak Jarak Pitch Rantai Dari Pedal Ke Flywheel
p=D sin (180°
Z )p=166,85 mm. sin( 180°
55 )=9,525 mm
Rumus
p=D sin (360°
2Z )=D sin( 180°
Z )D=pcosec (180°
Z )Keterangan
D = Diameter Lingkaran
Z = Jumlah Gigi Sprocket
4.4 Panjang Rantai dan Jarak antar Pusat
Gambar 4. Ilustrasi Jarak Antar Pitch
Keterangan :
Z1 = Jumlah gigi pada sproket kecil,
Z2 = Jumlah gigi pada sproket yang lebih besar,
p = Pitch rantai, dan
x = Jarak antar pusat.
A. Dari pedal ke roda belakang
Jarak antar pusat dapat dicari dengan persamaan dibawah ini, namun
dalam perancangan desain yang telah dibuat berjarak 600 mm
x= p4 [K−
Z1+Z2
2+√(K−
Z1+Z2
2 )2
−8( Z1+Z2
2π )2]
Jumlah link rantai dapat diperoleh dari ekspresi berikut (jika jarak antar
pusat poros diketahui), yaitu :
K=Z1+Z2
2+ 2x
p+[ Z1+Z2
2 π ]2
px
Diketahui : x=600 mm
Z1=44
Z2=14
p=9,525 mm
K= 44+142
+2(600mm)9,525mm
+[ 44+142π ]
29,525mm600mm
K=29+125,98+¿
K=156,335 link
Panjang rantai (L) harus sama dengan dengan jumlah link rantai (K)
dan pitch rantai (p). Secara matematis,
L=K . p
Diketahui : K=156,335 link
p=9,525 mm
L=156,335 link .9,525 mm=1489,1 mm ≈ 1490 mm
B. Dari roda belakang ke flywheel
Jarak antar pusat dapat dicari dengan persamaan dibawah ini, namun
dalam perancangan desain yang telah dibuat berjarak 900 mm
x= p4 [K−
Z1+Z2
2+√(K−
Z1+Z2
2 )2
−8( Z1+Z2
2π )2]
Jumlah link rantai dapat diperoleh dari ekspresi berikut (jika jarak antar
pusat poros diketahui), yaitu :
K=Z1+Z2
2+ 2x
p+[ Z1+Z2
2 π ]2
px
Diketahui : x=900 mm
Z4=¿ 55
Z5=9
p=9,525 mm
K=55+92
+2(900 mm)9,525 mm
+[ 55+92π ]
29,525 mm900 mm
K=32+188,97+¿
K=222,07 link
Panjang rantai (L) harus sama dengan dengan jumlah link rantai (K)
dan pitch rantai (p). Secara matematis,
L=K . p
Diketahui : K=222,07 link
p=9,525 mm
L=222,07 link . 9,525 mm=2115,2mm≈ 2116mm
4.5 Pitch Line Velocity
v=π Dn Nn
60
A. Kecepatan Dari Pedal Ke Roda Belakang
Diketahui : D1=133,52 mm atau 0,13352 m
N1=46,64 rpm
v=π D1 N 1
60
v=π 0,13352 m 46,64 rpm60
=0 , 326 m /s
B. Kecepatan Dari Roda Belakang Ke Flywheel
Diketahui : D4=166,85 mmatau 0,16685 m
N2=113,54 rpm
v=π D4 N2
60
v=π 0,16685 m113,54 rpm60
=0.99 m /s
4.6 Beban (W) Pada Rantai
W = Rated PowerPitch line velocity
A. Beban Pada Rantai Dari Pedal Ke Roda Belakang
Diketahui : Rate Power =150,113 watt
Pitch Line Velocity = 0,419 m /s
W = Rated PowerPitch line velocity
=150,113 watt0,419 m /s
=358,26 N
B. Beban Pada Rantai Dari Roda Belakang ke flywheel
Diketahui : Rate Power = 150,113 watt
Pitch Line Velocity = 1,647 m /s
W = Rated PowerPitch line velocity
=150,113 watt1,647 m /s
=91,14 N
4.7 Sistem Transmisi Sabuk
Daya yang di hasilkan flywheel kemudian ditransmisikan oleh sabuk dan
pully dan dihubungkan generator. Berikut adalah keterangan dan data yang
diperoleh untuk melengkapi perhitungan puli dan sabuk.
Material puli : Allumunium
Material sabuk : Karet
Massa jenis karet : 1,14 ( gr
cm3 ) (Khurmi danGupta , 1992)
Koefisien gesek : 0,3 (Khurmi dan Gupta , 1992)
σ t= 17,5 [Kg/cm2] = 1,72 [N/mm2] (Khurmi dan Gupta , 1992)
Diameter pully besar = D7 = ᴓPulley7 = 3” = 76,2 mm
Diameter pully kecil = d6 = ᴓPulley6 = 2” = 50,8 mm
Jarak antara puli rencana (Cd) = 350 mm
Rasio Kecepatan pully 2:1
1. Putaran pully flywheel N pully=N flywheel; 694 rpm = 694 rpm
2. Pully Flywheel ke Pully Generator
N pully generator=N flywheel . r pullykecil
r pullybesar
=694 rpm.50.8 mm76.2mm
=462,6 rpm
R=D pully besar
D pully kecil
=76,2 mm50,8 mm
=1,5
3. Panjang Sabuk (L)
Gambar 5. Ilustrasi dimensi jarak antara puli
Mencari jarak antara puli. Maka mengacu kepada :
L=2 Cd+ π2
(dp+Dp )+ 14.Cd
( Dp−dp)2(Sularso dan Kiyokatsu , 1994)
L=2×350 mm+ π2
(50,8 mm+76,2mm )+ 14×350 mm
(76,2 mm−50,8 mm)2
L=700mm+199,39 mm+0,461 mm
L=899,9 mm atau 0,8999 m
4. Jarak kedua sumbu poros yang dipakai
x=b+√b2(Dp−dp)2
8(Sularso dan Kiyokatsu , 1994)
dimana b = 2L – 3,14 (Dp + dp)
= (2) (899,9mm) – (3,14)(76,2 mm + 50,8 mm)
= 1799,8 mm – 398,78
= 1401,02 mm
Jadi,
x=1401,02 mm+√(1401,02 mm)2−8(76,2 mm−50,8 mm)2
8
x=1401,02 mm+1399,1 mm8
x=350,015 mm
5. Kecepatan Linear sabuk
Kecepatan Linear sabuk dapat diketahui dg menggunakan:
v=π D N7
60( Khurmi danGupta , 1992)
v=π ×76,2 mm × 462,6 rpm60
v=1844,7mm
s
v=1,8447ms
Keterangan:
v = kecepatan linear, m/s
N = Putaran poros follower, Rpm
D = Diameter poros follower, mm
6. Berat Sabuk per meter panjang ( w )
Berat sabuk didapat dengan menggunakan:
w=a ×100 × ρsabuk
1000(Khurmi dan Gupta ,1992)
a = luas penampang sabuk type A
Gambar 6. Luas penampang sabuk type A
tan α= x9
→ α=12
× 400=200
tan200= x9
=
x=9 × tan 200
x=3,2757 mm
y=12,5−2 ( x )
y=12,5−2 (3,2757 )
y=5,9485 mm
a=12
(12,5+5,9485 ) ×9
a=83,01825 mm2=0,83018 cm2
w=a ×100 × ρsabuk
1000
w=0,8301825 ×100 ×1,141000
y
w=0,09464Kgm
=0,9284Nm
7. Gaya Sentrifugal sabuk
Gaya sentrifugal sabuk dapat diketahui dengan :
T c=wg
× v2(Khurmi dan Gupta , 1992)
T c=0,9284
9,81×(1,8447
ms )
2
T c=0,322 N
8. Gaya maksimum sabuk (Tmaks)
Gaya maksimum sabuk dapat dicari dengan menggunakan
Tmaks=σ t x a ....
Tmaks=1,72N
mm2x 83,01825 mm2
Tmaks=142,79 N
9. Gaya untuk sisi kencang sabuk
Mencari besarnya gaya yang terjadi pada sisi kencang sabuk, maka dapat
menggunakan
F1=T maks−TC
F1=142,79 N−0 , 322 N
F1=142,468 N
Open belt drive dapat dicari dengan menggunakan
Keterangan:
Tc = Gaya sentrifugal sabuk, N
w = berat sabuk, kg/m
v = kecepatan linear sabuk, m/s
g = grafitasi, 9,81 m/s2
Gambar 7. Open belt drive
sin α=r1−r2
x
sin α=76,2 mm−50,8 mm350,015 mm
sin α=0,0726
α=4,160
10. Sudut kontak pada pulley kecil
dapat diketahui sengan menggunakan
θ=1800−2 α
θ=1800−2(4,160)
θ=171,680×π
180
θ=2,994 rad
11. Gaya untuk sisi kendur sabuk
Dengan mempertimbangkan besarnya tegangan pada sisi kencang yang
terjadi, maka untuk mencari tegangan pada sisi kendur dapat menggunakan:
2,3 logF1
F2
=eπθ ( Khurmi danGupta , 1992 )
2,3 logF1
F2
=e0,3×2,994
logF1
F2
=2,4552,3
F1
F2
=11,678
Keterangan:
F1 = Tegangan sabuk sisi kencang, N
F2 = Tegangan sabuk sisi kendur, N
F2=142,468 N
11,678
F2=12,19 N
Sehingga
F1 = 142,468 N
F2 = 12,19 N
12. Torsi output dan input
T output=(F1−F2)× D pullybesar
T output=(142,468−12,19 N )×76,2mm
T output=9927,18 Nmm=9,92718 Nm
T input=(F1−F2)× D pully kecil
T input= (142,468−12,19 N )× 50,8 mm
T input=6618,12 Nmm=6,61812 Nm
13. Horsepower output dan input
HPoutput=2πNT
60
HPoutput=2 π × 694 ×9,92718
60
HPoutput=726,2=0,972 HP
HPinput=2πNT
60
HPinput=2 π × 694 ×6,61812
60
HPinput=480,9 Watt=0 , 643 HP
Catatan : 1 HP = 75 kg m /s = 0,747 Kw
Daya yang dibutuhkan menggerakkan puli adalah
P =0,972 HP - 0,643 HP = 0,329 HP ≌ 0,245 Kw14. Flywheel
V olume=π4
¿-202).40 + π4
¿-202).40
= 693940 + 82425
= 776365 mm3
= 0,000776365 m3
M assa=Massa Jenis xVolume
= 7849,99 kg
m3 x 0,000776365 m3
= 6,094457 kg ≈ 6,1 kg
I nersia=12
m r2
=12
. 6,1 kg .(0,075 m)2
= 0,01715 kg.m2
v flywheel=π . d .n
60=
π . (0,15 m ) .694 rpm60
=5,45 m / s
ωflywheel=vr=5,45 m /s
0,075 m=¿ 72,66 rad/s ≌ 694 rpm
E flywheel=12
I ω2=12
. 0,0530 m. (72,66 rad / s)2=140 joule
Gambar 8 : Desain Flywheel 2d (AISI 1045)