gabungan 1 2 3 baru
TRANSCRIPT
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
1/41
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Sepeda merupakan kendaraan dengan memanfaatkan tenaga manusia
dengan system transmisi tertentu untuk menggerakan roda. Perkembangan sepeda
dimulai tahun 1818, alat transpotasi pertama yang menggunakan dua roda dan
digerakan dengan cara mendorong dengan kaki bersamaan disebut Draisienne.
Sepeda komersial pertama diberi nama velocipede dimana pedal dihubungkan
dengan roda depan pada tahun 1863. Perkembangan sepeda dari segi keselamatan
mulai berubah pada tahun18!, sepeda "konvensional# dengan penggerak rantai
yang menghubungkan pedal dengan hub belakang, design frame yang tidak kaku
dengan penemuan pola terkuat dan ringan yang disebut diamond frame,serta
ditemukannya ban pneumatic yang dapat meminimalkan getaran sepeda.
Seiring pekembangan $aman, kekurangan sepeda transmisi rantai
"konvensional# semakin dirasakan pengendara. %al ini diakibatkan sering ter&adi
'chain bite( atau kecelakaan yang ditimbulkan akibat ter&epit rantai sepeda dan
&uga terkena kotoran dari rantai sepeda, pemeliharaan yang sulit dari tiap part
transmisi rantai, tingkat kebisingan yang dikarenakan adanya kontak pada rantai.
)novasi untuk men&a*ab kekurangan transmisi rantai adalah dengan transmisi
'chainless( atau tanpa rantai. +erdasarkan &enis penggeraknya sepeda tanpa rantai
dibagi men&adi tiga yaitu poros penggerak, kabel penggerak, dan tanpa transmisi.
Poros penggerak tersusun dari dua pasang bevel gear yang dihubungkan poros.
Sedangkan kabel penggerak, pedal terhubung dengan kabel yang terlilit drum
kecil dan tersambung dengan roda belakang sehingga putara roda belakang
samadengan putaran drum dari kayuhan. anpa transmisi dimana pedal lansung
terhubung dengan roda belakang.
1
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
2/41
-ambar 1.1 ekurangan sepeda konvensional
+erdasarkan kekurangan tersebut, pada tugas akhir ini dilakukan
pengembangan desain transmisi tanpa rantai penggerak poros untuk memodifikasi
sepeda polygon sierra tanpa merusak frame. Sehingga penggunaan bevel gear
diganti dengan cross helical gear. /alaupun ada beberapa gear yang
memungkinkan seperti spheroid gear, hypoid gear, ataupun *orm gear. Sphiroid
gear dan hypoid gear tidak digunakan karena pemasangan spheroid dan hypoid
masih dapat merusak frame pada rancangan sepeda, geometri dari gear yang
khusus berbentuk spiral"spheroid# dan hyperbolic"hypoid# sulit untuk disesuaikan
dengan transmisi yang direncanakan, dan &uga dirancang bangun yang sulit serta
biaya yang terbatas. Sedangkan *orm gear tidak digunakan karena *orm gear
untuk mereduksi putaran yang sangat tinggi men&adi putaran yang rendah atau
rasio kecepatan yang digunakan besar,dan effisiensi dari tansmisi *orm gear yang
kecil akibat gesekan yang ter&adi. Penggantian bevel gear dengan cross helical
gear pada transmisi chainless mudah untuk dilepas serta dipasang kembali tanpa
2
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
3/41
merusak frame serta bagian lainnya dari sepeda. etapi kelemahan dari crossed
helical gear adalah manufaktur yang rumit dan perhitungan analitis belum banyak
dibahas. Selama ini untuk perhitungan analitis crossed helical gear dapat
diasumsikan sama dengan *orm gear yang sebenarnya kekuatan dan keausan
akan lebih rendah.
-ambar 1.0 "a# perbandingan *orm, spiroid, bevel, dan hypoid gear dan "b# posisi gear pada sepeda yang
akan dianalisa
saha untuk minimalisasi kelemahan dari crossed helical gear terutama
dari kekuatan bending dan kontak, &ika dibandingkan dengan helical gear titik
kontak yang ter&adi lebih banyak dan &ika dibandingkan *orm gear profil gear
yang berbeda menhasilkan distribusi tegangan yang berbeda &uga sehingga tidak
dapat didekati dengan persamaan yang sudah ada. 2nalisa tegangan dapat
dilakukan dengan cara analisa melalui metode elemen hingga. 45 "finite
element method# dari soft*are ansys merupakan salah satu soft*are metode
numerik yang dapat digunakan untuk menganalisa beban dinamis pada gear.%asil dari analisa simulasi 45 dibandingkan dengan kekuatan material sehingga
biaya manufaktur crossed helical gear dapat ditekan dengan cara menurunkan
grade dari material yang digunakan. Selain itu dilakukan &uga variasi sudut heli
crossed helical gear pada pasang gear agar dapat diketahui fenomena perubahan
tegangan bending dan kontak yang ter&adi.
I.2 Rumusan Masalah
3
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
4/41
+erdasarkan latar belakang yang di&abarkan pada sub bab 1.1, maka
permasalahan yang diangkat pada tugas akhir ini dapat dirumuskan sebagai
berikut7
1. +agaimana merancang crossed helical gear pada sepeda tanpa rantai yang
tidak merusak frame dan aman terhadap tegangan bending dan kontak
0. +agaimana fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap tegangan
bending crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan
simulasi dinamis
3. +agaimana fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap tegangan
kontak crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan
simulasi dinamis
I.3 Tujuan
u&uan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut7
1. ntuk merancang crossed helical gear pada sepeda tanpa rantai yang tidak
merusak frame dan aman terhadap tegangan bending dan kontak.
0. ntuk mengetahui fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap
tegangan bending crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan
simulasi dinamis.
3. ntuk mengetahui fenomena pengaruh variasi sudut heli terhadap
tegangan kontak crossed helical gear pada pembebanan torsi menggunakan
simulasi dinamis.
I. Batasan Masalah
2gar pembahasan masalah dalam tugas akhir ini terarah dan dapat
mencapai tu&uan yang telah ditentukan, maka beberapa batasan masalah perlu
diberlakukan. +atasan masalah pada tugas akhir ini yaitu7
1. 9ancangan dikhususkan pada pasangan crossed helical gear transmisi
bagian depan sepeda
0. Digunakan material yang sudah ada di pasaran ":;< 1=>#
4
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
5/41
3. Dimensi gear sesuai space pada transmisi sepeda "&arak antar pusat gear
0.=in dan diameter outside gear 3.=in#
?. -etaran tidak dianalisa
=. %anya crossed helical gear yang dianalisa
6. Pelumasan tidak dianalisa
. Perubahan panas akibat gesekan tidak dianalisa
8. Pembebanan dianggap konstan
I.! Man"aat
5anfaat dari penelitian sebagai berikut.
1. ontribusi tidak lansung terhadap pengembangan pengetahuan teknologi
mekanika
0. Sebagai refrensi untuk penelitian berikutnya maupun yang ingin
membuat rancang bangun tentang sepeda tanpa rantai penggerak poros
3. 5engetahui seberapa besar pengaruh sudut heli terhadap tegangan yang
ter&adi pada cross helical gear
5
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
6/41
BAB II
TIN#AUAN PU$TA%A
II.1 Penel&t&an ter'ahulu
+erikut ini beberapa contoh penelitian terdahulu yang membahas mengenai
rancangan sepeda tanpa rantai dan kekuatan crossed helical gear.
II.1.1 $ung(Hua Hsu )1**+,
Pada penelitian ini dilakukan perancangan transmisi sepeda tanpa rantai
penggerak poros menggunakan bevel gear dengan merusak frame bagian ba*ah yang
digantikan oleh sistem transmisi 0 pasang bevel gear dan poros penggerak. Seperti pada
gambar 0.1 yang menun&ukan system transmisi dan hub internal gear. Penambahan hub
internal gear guna mengubah rasio kecepatan pada sepeda dikarenakan rasio total bevel
gear yang digunakan adalah sebesar 1 untuk menghindari perubahan kekuata maupun
efisiensi transmisi yang diakibatkan adanya sudut &ika berbeda rasio antara bagian depan
dan belakang. %su &uga merancang geometri bevel gear bagian belakang agar sesuai
dengan hub internal gear sehingga geometri bevel gear bagian depan mengikuti bagian
belakang. 2tas dasar ini peneliti merancang geometri crossed helical gear selaindisesuaikan dengan space pada hub internal gear &uga disesuaikan dengan space pada
frame bagian ba*ah agar tidak merusak frame.
-ambar 0.1 ransmisi sepeda tanpa rantai penggerak poros bevel gear "%su,1!!6#
II.1.2 Te&j&r- amanaka an' /h-tar- Naruse )1***,
Pada penelitian ini dilakukan studi eperiment untuk mengetahui pengaruh
variasi profil gigi yang dikenai beban putaran "rpm# terhadap specific *ear, friction loss,
dan beban scuffing pada crossed helical gear agar dapat meminimalkan beban scuffing
pada crossed helical gear.
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
7/41
contact ratio yang berbeda@beda berdasarkan perbedaan tip diameter,tip tooth thickness,
dan tinggi gigi. Setiap pasang gigi tersebut diberi beban putaran sebesar
6?3rpm,1=>>rpm,3=>>rpm,?!=>rpm. Data geometri keempat crossed helical gear tersebut
ditun&ukan pada table 0.1
Tabel 2.1 Variasi Dimensi Geometri Crossed Helical
Gear(Naruse1!!!"
(a" (b"
(c"
-ambar 0.0 -rafik variasi profil gigi dan perlakuan permukaan terhadap "a# beban scuffing "b# spesfik *ear
"c# friction loss fungsi beban putar "
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
8/41
diberikan pada variasi kontak rasio makan tegangan scuffing yang ter&adi semakin kecil
sedangkan semakin kecil kontak rasio pada variasi beban putaran pada gear maka beban
scuffing pada gear akan semakin kecil.
Pada gambar 0.0b ditun&ukan grafik variasi profil gigi dan perlakuan permukaan
yang dikenai beban putaran terhadap specific *ear. Semakin besar beban putaran yang
diberikan pada variasi kontak rasio makan specific *ear yang ter&adi semakin besar
sedangkan semakin besar kontak rasio pada variasi beban putaran pada gear maka
specific *ear pada gear akan semakin besar &uga. /alaupun perubahan tidak signifikan
hal ini dapat dimanfaatkan untuk perancangan material minimal yang tahan terhadap
tegangan kontak yang ter&adi pada crossed helical gear.
Pada gambar 0.0c ditun&ukan grafik variasi profil gigi dan perlakuan permukaan
yang dikenai beban putaran terhadap friction loss. Semakin besar beban putaran yang
diberikan pada variasi kontak rasio maka friction loss yang ter&adi semakin kecil
sedangkan perubahan kontak rasio pada variasi beban putaran gear tidak mempengaruhi
specific *ear yang ter&adi pada gear.
Sehingga peneliti dapat menyimpulkan semakin kecil kontak rasio dapat
meminimalkan kerugian pada crossed helical 7
1. 5enurunkan batas beban scuffing0. 5enaikan tahanan spesifik kontak tetapi tidak terlalu signifikan
3. idak mempengaruhi friction loss
etiga hal ini dapat men&adi dasar peracangan crossed helical gear yang
digunakan untuk perancangan transmisi sepeda tanpa rantai.
II.2 Dasar Te-r&
Dasar teori yang digunakan adalah untuk merencanakan elemen elemn mesin
yang digunakan pada transmisi sepeda tanpa rantai penggerak poros, maka data yang
pertama perlu diketahui adalah besarnya gaya@gaya serta torsi yang beker&a pada dan
transmisi sepeda. %al tersebut didapatkan dengan cara menganalisa berdasarkan besar
gaya yang digunakan untuk menggerakan sepeda. emudian pembahasan perancangan
transmisi crossed helical gear dari rancangan geometri hingga material yang aman
terhadap pembebanan yang ter&adi pada gear.
$
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
9/41
II.2.1 0aa ang Terja'& a'a $ee'a
+esarnya gaya yang dibutuhkan untuk menggerakan sepeda dapat dianalisa
dengan menghitung gaya@gaya yang beker&a seperti berat pengendara, berat sepeda, gaya
pada %ukum
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
10/41
II.2.1.1 Tahana u'ara
-aya hambat yang disebabkan tekanan udara yang menekan menu&u arah
berla*anan dengan la&u sepeda dikarenakan udara menekan ke segala arah, dirumuskan 7
Ra=1
2 Cd Va
2A
"0.#
Dimana 7
9aA tahanan udara "lb atau .>1? C road racing tires A >.>>?#
/ A berat total "lb atau
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
11/41
II.2.1.3 0aa e'al
otal gaya yang ter&adi pada pedal adalah gaya yang yang akan ditransmisikan
sebagai penggerak roda belakang sepeda. Penentuan gaya maksimum pada pedal
diperlukan untuk menetukan po*er input dan torsi maksimal yang akan diberikan pada
sepeda, sehingga bisa didapatkan dimensi yang direncakan pada transmisi sepeda.
-ambar 0.= -aya maksimum pada pedal "%o*ard Sutherland. 1!!=#
II.2.2 Peren4anaan T-rs&
Data @ data yang ditransmisi didapatkan dari refrensi = yang digunakan dalam
perancangan yang aman digunakan po*er output maksimal dari pengendara rata@rata
sebesar = *att ">.1hp# dengan variasi kecepatan putaran pedal "gambar 0.= #. Dengan
data yang ada besar torsi yang yang akan ditransmisikan dinyatakan sebagai berikut 7
T=hp63000n
"0.8
#
Dimana 7
hp A daya yang dibutuhkan "hp#
A torsi yang dihasilkan pedal "lb@in#
n A kecepatan putar pedal "rpm#
11
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
12/41
-ambar 0.6 -rafik kecepatan putar pedal terhadap po*er keluaran dari pengendara "%o*ard Sutherland.
1!!=#
II.2.3 Peren4anaan /r-ss Hel&4al 0ear
9oda gigi ;ross Helix adalah roda gigi yang profil giginya miring berputar
seperti spiral dan digunakan untuk transmisi daya pada poros yang bersilangan. 9oda
gigi cross heliks &uga digunakan untuk kecepatan tinggi dan untuk transmisi daya yang
besar, roda gigi miring menghasilkan noisedan getaran yang rendah dibandingkan roda
gigi lurus.Helical geardigunakan &ika efisiensi dan quieter operationpenting "biasanya
banyak dipakai di automobile#, dimana ¨ah Sudut Helix untuk pasangan gear harus
sama dengan sudut antar poros.
II.2.3.1 Pr-"&l 0&g& In5-lute
Pada koordinat kartesian kurva involute memilik persamaan parametric sebagai
berikut
t
cos t+tsin
x=r
"0.!#
t
sin t+tcosx=r
"0.1>#
dimana 7 r 7 radius dari lingkaran "in#
t 7 parameter sudut dalam radian
2pabila nilai sudutnya positif maka akan terbentuk kurva berputar sesuai kaidah
tangan kanan ";;/#. 2pabilanilai sudutnya negative maka akan ter&adi sebaliknya yaitu
12
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
13/41
akan berputar berdasarkan kaidah tangan kiri ";/#. Pada gambar 0. 5enun&ukkan kurva
involute menggunakan sudut parametrik positif.
-ambar 0. urva involute dengan sudut parametrik positif pada koordinat kartesian
"en.*ikipedia.orgB*ikiBinvolute#
9oda gigi dengan profil gigi involute pertama kali di desain oleh eonard 4uler,
&enis roda gigi yang sering digunakan hingga saat ini disamping profil cycloid. 9erlepas
dari &enis spur gear atau helical , roda gigi dengan profil involute memiliki hanya satu
kontak yang ter&adi. 9otasi roda gigi yang menyebabkan titik kontak dari masing masing
permukaan gigi yang berpasangan berpindah. -aris singgung pada tiap titik kontak antara
permukaan gigi selalu tegak lurus "normal# dengan kurva involute profil gigi. Sehingga
garis gaya mengikuti garis kontak. Eleh karena itu, garis kontak &uga disebut pressure
line "garis tekan#. Sedangkan perpotongan antara garis kontak satu dengan garis kontak
yang lain akan menghasilkan sebuah titi yang disebut pitch point. -ambaran tetang profil
roda gigi involute, permukaan kontak, garis kontak dan titik kontak bias dilihat pada
gambar berikut 7
-ambar 0.8 "a# -ear dengan profil involute beserta garis kontaknya dan "b# ilustrasi menggambaekan profil
involute secara manual ";arter, 0>>#
13
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
14/41
;ara menggambar atau memodelkan kurva involute secara sederhana bias
dibayangkan dengan gulungan senar atau benang yang u&ungnya diikat pada sebuah
pensil. 5enggambar dimulai dengan menarik pensil dengan arah melingkar mela*an
gulungan benang dan benang harus tetap tegang. -aris yang terbentuk inilah yang disebut
kurva involute.
Pemodelan roda gigi involute dapat dilakukan dengan menggunakan ;2D
soft*are. ;ara menggambarnya bias secara manual atau otomatis tergantung soft*are
yang digunakan. Penggambaran secara otomatis biasanya lansung memasukan persamaan
kurva involute kemudian kurva involute lansung &adi. Sedangkan penggambaran secara
manual pada ;2D soft*are sebagai berikut 7
1. +uat lingkaran@lingkaran konsentris yang terdiri dari base diameter "db#, root
diameter "dr#, pitch diameter "d# dan outside diameter "do#.
0. -ambar garis dari pusat lingkaran sampai kurva base diameter dengan sudut >, !>,
18>, 0>. emudian membuat 13 garis dari pusat ke base diameter dengan &arak
antar garis sebesar F36>BG"1B0> base radius#B"PiHdb#IJ dan buat nomor urut garis
dari > sampai 1?.
3. +uat garis singgung pada masing masing u&ung garis di base circle dengan pan&ang
garis "1B0> base radius nomor garis#?. %ubungkan u&ung@ u&ung garis hingga membentuk kurva.
=. urva yang terbentuk adalah kurva involute.
14
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
15/41
-ambar 0.! ;ara membuat profil involute manual pada ;2D soft*are ";arter, 0>>#
II.2.3.2 Peren4anaan D&mens& 0e-metr& /r-sse' Hel&4al 0ear
+eberapa istilah yang akan digunakan dalam perencanaan geometri roda gigi crossed
antara lain7
1. D&ametral P&t4h )P,merupakan ¨ah gigi tiap inchi lengkungan roda gigi atau
¨ah gigi pada roda gigi dibagi dengan diameter pitch circlenya
P=Nt
d
"0.11#
0. /&r4ular &t4h ),&arak roda gigi yang diukur pada pitch circlenya yaitu &arak satutitik pada roda gigi sampai titik pada roda gigi berikutnya pada kedudukan yang sama.
Persamaan dari pen&elasan diatas adalah
p=d
Nt
"0.10#
Sehingga 7
Pp= "0.13#
Dimana 7
15
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
16/41
p 7 circular pitch
P 7 diametral pitch
#
Dimana 7
9v 7 velocity ratio
n 7 kecepatan putar
16
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
17/41
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
18/41
Rb=rcos n "0.06
#
!. /&r4ular Base ),adalah &arak titik base pada satu gigi ke base gigi yang lain
dan dinyatakan seagai berikut 7
pb=pcosn "0.0#
1,. Profil gigi pada gear terdiri dari adendum, dedendum, working
depth, whole depth, clearance. -asin masin eometri
/ada bidan transer0e (...t" dan normal (...n" da/at dinataan
/ada tabel 2.3 *istem ii
able 1abel 0.0 ooth System "Dutchman, 1!=#
1?.=>
ull
depth
1?.=>
;omposite
0>> ull
depth
)nvolute
0>>Stub
)nvolute
0>>
;omposite
Pitch
0>>ine
Pitch
0=>ull
depth
)nvolute
2ddendum 1
P1,2
1
P1,2
1
P1,2
0.8
P1,2
1
P1,2
1
P1,2
1
P1,2
Dedendum 1.157
P1,2
1.157
P1,2
1.25
P1,2
1
P1,2
1.25
P1,2
1.2
P1,2
+0. 1.25
P1,2
;learance 0.157
P1,2
0.157
P1,2
0.25
P1,2
0.2
P1,2
0.25
P1,2
0.2
P1,2
+0. 0.25
P1,2
/orking
depth
2
P1,2
2
P1,2
2
P1,2
1.6
P1,2
2
P1,2
2
P1,2
2
P1,2
/hole
depth
2.157
P1,2
2.157
P1,2
2.25
P1,2
1.8
P1,2
2.25
P1,2
2.2
P1,2
+0. 2.25
P1,2
1$
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
19/41
-ambar 0.11 geometri dasar dari helical gear "Dudely,0>>>#
11. 8&llet )r"#adalah lengkungan yang terbentuk pada akar profil gigi, fileet &uga
merupakan tempat ter&adinya konsentrasi tegangan bending dari gear sehingga
perlu dianalisa. T--th th&4kness )t, adalah tebal dari progil gigi tebal gigi ini
dibentuk dari involute gear dan besar kecilnya tebal gigi akan mempengaruhi
inersia pada gear sehingga dapat mempengaruhi tegangan bending &uga. illet
dan dan tooth thikness dapat dinyatakan persamaan 7
r!=0.3
P
"0.08
#
t=1.5708
P n
"0.0!
#
tact=tth"ory#
2
"0.3>
#
10. /-nta4t length )AB,adalah pan&ang kontak dimana ter&adinya kontak. Pan&ang
kontak berhubungan dengan 4-nta4t rat&- )/Rn# dimana perbandingan pan&ang
kontak dengan circular base. eduanya dinyatakan dalam persamaan 7
A#=(r2+a2 )2r
2
2cossin+( r1+a1 )
2r
1cossin
"0.31
#
CR=A#
pb
"0.30
#
1!
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
20/41
13. Inter"eren4e )Int,adalah fenomena dimana kontak antar gigi ter&adi mele*ati
batas lingkaran base yang diakibatkan ¨ah gigi yang terlalu kecil dan dapat
menyebabkan gear tidak bergerak. )nterference dapat dihitung dengan persamaan
ra $nt"r!"r"nc"=rb2+c
2sin
2
"0.33
#
ra act%a&=r+2a "0.3?
#
raactual L rainterference "0.3=
#
"a# "b# "c#
-ambar 0.10 "a# interference dan "b# backlash "Dudely, 0>>>#
1?. Ba4klash )B,adalah &arak space antara gigi saat gigi ter&adi kontak. Mang lebih
besar dari lebar gigi sehingga kontak tidak akan ter&adi. ntuk menangani statis
backlash dapat menggunakan nilai seperti tabel rekomendasi 0.3
abel 0.3 9ekomendasi +acklash yang dii$inkan pada gear "Dudely, 0>>>#
II.2.3.3 Anal&sa Bean /r-sse' Hel&4al 0ear
erdapat beberapa perbedaan kontak yang ter&adi pada roda gigi luris, roda gigi
miring, dan roda gigi cacing. 9oda gigi lurus kontak a*al yang ter&adi pada keduanya
2,
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
21/41
berupa suatu garis kontak, hal tersebut dapat menyebabkan shock effect yang dapat
menyebabkan terbatasnya besar gaya yang bisa ditransmisikan dan menghasilkan suara
yang amat berisik. +erbeda dengan roda gigi miring dimana kontak a*al yang ter&adi
antara kedua roda gigi merupakan suatu titik kontak, titik kontak ter&adi dikarenakan
adanya sudut heli yang menimbulkan perubahan pada sudut kontak. Sehingga
perbandingan kontak &uga akan semakin besar. %al ini yang menyebabkan beban yang
diterima semakin kecil dan pergerakan lebih halus. Sedangkan roda gigi cacing a*al
ter&adi kontak berupa titik kontak yang lebih baik dari roda gigi miring dikarenakan
geometri *orm gear yang terbentuk dari sudut sudut kemiringan. Sudut K sudut ini
mempengaruhi besarnya titik kontak dan secara tidak lansung memperbesar perbandingan
kontak. /alaupun bending yang ter&adi akan semakin kecil tetapi tegangan kontak yang
ter&adi akan semakin berpengaruh saat merancang roda gigi. Nadi pendekatan persamaan
yang dapat digunakan untuk analisa beban crossed helical gear tidak hanya beban le*is,
beban kontak +uckingham tetapi mekanisme *orm gear.
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
22/41
-ambar 0.13 etentuan arah arah gaya aial crossed helical gear "Dudely, 0>>>#
2danya gaya thrust yang ter&adi menyebabkan kebutuhan bearing yang dapat
menahan gaya aksial dan menahan gaya radialnya. 2rah gaya thrust yang ter&adi pada
berbagai macam pasangan roda gigi miring bersilangan dapat dilihat pada gambar di
ba*ah ini
+esarnya efesiensi pada roda gigi cross helical dapat diketahui dengan 7
"!!=cosn !tan 1cos n+ !cot 1
"0.3!
#
dimanafmerupakan koefesien gesek sebagai fungsi kecepatan yaitu 7
!=0.155
V'0.2
d$(ana 3V'70 !t/($n"0.?>
#
!=0.32
V'0.36
d$(ana 70V'3000 !t/($n"0.?1
#
dimana :s merupakan kecepatan sliding gear yang memperbesar gesekan yang
ter&adi dan dirumuskan 7
V'= Vp1
cos2=
Vp2
cos2
"0.?0
#
Vp= d
1n1
12= d
2n2
12
"0.?3
#
22
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
23/41
2nggapan lain tentang gaya gesek pada sepasang roda gigi crossed helical yaitu
apakah ter&adi putaran balik atau tidak. 2pabila gaya gesek yang timbul terlalu besar,
pasangan roda gigi driver tidak dapat perputar balik atau akan mengunci sendiri "self
locking#. Pada umumnya bila sudut leaddari kedua gear 1>atau kurang, pasangan roda
gigi ini akan mengunci sendiri. Sifat mengunci sendiri ini menimbulkan keuntungan bila
nanti dalam pemakaian memang tidak dikehendaki adanya putaran balik.
Bean a'a 0&g&
Dalam merencanakan roda gigi ini diketahui torsi dan putaran yang dibutuhkan
sehingga gaya@gaya beban yang beker&a terhadap roda gigi dapat dihitung.
Daa ang '&has&lkanDaya yang dihasilkan dari kontak gear crossed helical ter&adi perubahan akibat
adanya gaya gesek dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut 7
h po%t=h p "!! "0.??
#
h p &o''=h ph po%t "0.?=
#
Dimana 7
%p "losses# 7 daya yang hilang "hp#
hp"input# 7 daya input "hp#
eff 7 efisiensi daya "Q#
hp"output# 7 daya output "hp#
T-rs& ang '&has&lkan
orsi yang dihasilkan bergantung pada daya keluaran gear dan putaran yang
ter&adi dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut 7
T=h po%t63000
n
"0.?6
#
Dimana 7
%p A daya yang dihasilkan "hp#
A torsi yang dihasilkan "lb@in#
n A kecepatan putar driver "rpm#
Bean ang '&transm&s&kan
+eban yang ditransmisikan samadengan beban tangential yang ter&adi pada roda
gigi dapat dinyatakan dalan rumus
23
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
24/41
Ft=2T
d
"0.?
#
Dimana 7
t 7 beban transmisi "lb#
7 torsi "lb@in#
d 7 diameter driven "in#
Anal&sa kekuatan g&g&
1. Tegangan en'&ng
-ambar 0.1? egangan bending pada kaki gigi gear "5arta, 1!!8#
egangan bending adalah salah satu faktor yang men&adi kriteria keamanan dalam
mendesain suatu produk atau barang. egangan bending pada gear ter&adi pada bagian
kaki@kaki gear atau fillet. egangan bending biasanya diakibatkan oleh beban yang
arahnya bersifat kolektoral terhadap suatu model atau struktur. egangan bending sendiri
memiliki sifat unik, yaitu apabila suatu benda dikenai momen bending maka benda
tersebut akan mengalami tegangan tarik dan tekan sekaligus seperti terlihat pada gambar.
%al ini dapat diturunkan men&adi persamaan 7
)=* c+
"0.?8
#
Dimana 7
7 egangan akibat momen bending
5 7 5omen +ending
c 7 Narak antara titik ter&auh terhadap sumbu netral
) 7 5omen inersia struktur
24
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
25/41
5omen inersia struktur memiliki keunikan tersendiri yaitu setiap bentuk struktur
yang sama namun sumbu netralnya berubah, maka perumusan momen inersia &uga akan
berubah. Nadi dengan memvariasikan sudut heli yang dan sumbu netral makan akan
didapatkan variasi momen inersia. Selain itu posisi geometri terhadap sumbu netral &uga
berpengaruh terhadap besarnya nilai momen inersia. kuran geometri sama namun posisi
terhadap sumbu netral yang berbeda maka akan menghasilkan besar momen inersia yang
berbeda pula. Pada kaki gear persamaan momen inersia yang digunakan adalah dengan
rectangular. ntuk lebih &elasnya bisa dilihat pada gambar dan perumusan berikut 7
-ambar 0.1= 5omen inersia untuk geometri rectangle "+udynas, 0>11#
2dapun perumusan momen inersia untuk rectangle sebagai berikut 7
+x=
bh3
12(a)
+
y=
b3
h
12(b )+
xy=0(c )
"0.?!
#
Dimana 7
+x 7 5omen inersia sumbu sebagai netral
+y 7 5omen inersia sumbu y sebagai netral
+xy 7 5omen inersia gabungan sumbu sumbu y sebagai netral
Persamaan diatas merupakan salah satu persamaan yang berkaitan dengan momen
inersia. Sehingga persamaan 0.?3 dapat diturunkan men&adi 7
)=*c
+ =
FtL1
2t
b t3
12
=6FtL
b t2
"0.=3
#
25
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
26/41
Sehingga didapatkan persamaan e*is sebagai berikut 7
Fb=*c
+ =
FtL1
2t
b t3
12
=6FtL
b t2
2. Tegangan k-ntak
erusakan permukaan gigi dapat disebabkan oleh terabrasinya permukaan gigi
akibat gesekan antar permukaan gigi yang tidak disertai sistem pelumasan yang baik
maupun akibat adanya material dalam minyak pelumas yang dapat menggores permukaan
gigi. Pada saat merancang crossed helical gear pemilihan material &uga didasari dari
kekuatan material untuk dapat menahan beban kontak berulang yang ter&adi. etahanan
material &uga dipengaruhi dari dimensi gear yang saling kontak satu sama lain. +esarnya
beban kontak tersebut disebut dengan tegangan %ert$ dan +uckingham yang dapat
dinyatakan sebagai berikut 7
)H=
Ft
(
1
r1
+1
r2
)( 1,12
-1
+1,
2
2
-2
)b
"0.=?
#
Dimana 7
R%7 egangan kontak %ert$ pada gear
r 7 &ari &ari gearset
b 7 lebar gigi
4 7 modulus young
7 posson ratio
...1,0 7 driver dan driven gear
26
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
27/41
-ambar 0.16 5omen inersia untuk geometri disk "Sularso, 0>>#
2#
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
28/41
BAB III
MET6D6L60I PENELITIAN
))).1 Diagram 2lir Penelitian
angkah K langkah pada penelitian ini dapat digambarkan melalui diagram alir berikut
7
2$
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
29/41
-ambar 3.1 Diagram alir penelitian
III.2 Langkah(langkah Penel&t&an
angkah K langkah penelitian dalam diagram alir di atas dapat di&abarkan sebagai
berikut 7
1. 5elakukan studi literature terutama yang bertema pengaruh perubahan sudut
heli terhadap kekuatan bending dan kekuatan aus pada crossed helical gear
2!
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
30/41
0. 5engumpulkan data@data baik geometri sepeda, material gear yang aman dan
yang ada di pasaran,geometri gear serta mekanika yang diperlukan untuk
penelitian dengan perhitungan pendekatan *orm gear
3. Permodelan gear secara 3D menggunakan soft*are ;2D dengan variable
bebas besaran sudut heli "#
?. 5elakukan simulasi menggunakan soft*are 42
=. 5elakukan analisa dan pembahasan pada data dan grafik
6. 5engambil kesimpulan dan analisa
III.2.1 $tu'& L&teratur
Pada tahap ini, peneliti mencari literatur yang berkenaan dengan pengaruh
perubahan sudut heli terhadap kekuatan bending dan keausan pada crossed helical gear
baik dari buku, artikel, maupun &urnal@&urnal penelitian sebelumnya dengan topik yang
sama. Selain itu, peneliti &uga mencari informasi tentang pengoperasian software FEA
yang digunakan. Sehingga diharapkan penelitian yang dilakukan mempunyai dasar teori
yang sesuai.
III.2.2 Pengumulan DataPada tahap ini dilakukan pengumpulan data@data mengenai properti mekanik
material yang terdapat di pasaran, data geometri, dan data@data mekanika saat roda gigi
beroperasi. 5elalui tahap ini, diharapkan penelitian yang dilakukan dapat mendekati
realitas operasi roda gigi di lapangan. Pada tabel 3.1 akan ditampilkan data material dari
roda gigi yang akan diteliti. 5aterial yang digunakan adalah material :;< 1=> atau
dapat pula didekatkan dengan ba&a 2)S) ?3?>. abel 3.0 menun&ukkan hasil perhitungan
geometri dari crossed helical yang akan disimulasikan dan hasil mekanika yang
disesuaikan dengan variasi pembebanan pada daya maksimal dari pengendara sepeda
ditun&ukan pada table 3.3, variasi sudut heli yang digunakan pada tiap pasangan crossed
helical gear adalah 3.=7=0.=, ?>7=>, ?0.=7?.=, ?=7?=. Dimana pemilihan cariasi
disesuaikan dengan batasan dimensi gear terhadap space transmisi sepeda yakni sudut
poros !>>, &arak titik pusat gear 0.3 @ 0.=in, dan untuk diameter outside driver 0.? K 3.?in.
2pabila sudut heli driven lebih besar maupun lebih kecil akan ter&adi interference pada
gear, &ika ¨ah gigi dinaikan akan memperbesar diameter dan mele*ati batasan yang
dii$inkan. -eometri yang dibuat berdasarkan batasan dimensi agar tidak merusak frame.
3,
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
31/41
abel 3.1 Data material driver dan driven gear
Properties )mperial
Density >.08? lbBinT
5elting point 0=8>U
ensile strength 1==>>> psi
Mield strength 1>1>>> psi
+ulk modulus "typical for steel# 0>3>> ksi
Shear modulus "typical for steel# 116>> ksi
4lastic modulus 0==@3>?=8 ksi
PoissonVs ratio >.0@>.3>
4longation at break "in => mm# 0=.>Q
%ardness, +rinell 1!
%ardness, noop "converted from +rinell hardness# 01!
%ardness, 9ock*ell + "converted from +rinell hardness# !0
%ardness, 9ock*ell ; "converted from +rinell hardness. :alue belo* normal
%9; range, for comparison purposes only#13
%ardness, :ickers "converted from +rinell hardness# 0>
5achinability "based on 2)S) 1010 as 1>> machinability# =>
abel 3.0 Data variasi beban pada driver dan driven untuk analisa simulasi
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
32/41
T=hp63000
n =0.1hp63000
20rp( =315 &b
III.2.3 Perm-'elan 3D
Pada tahap ini dilakukan permodelan secara tiga dimensi "3D# menggunakan
soft*are 3D modelling. 5odel 3D yang dihasilkan digunakan sebagai input untuk
simulasi. Pada penelitian ini, dibuat model pasangan gear dengan variable bebas sudut
heli dan 0 pasangan model dengan varriabel rasio kecepatan. ombinasi dari kedua
variable bebas tersebut didapat model pasangan gear secara keseluruhan dan 1 pasang
gear untuk transmisi sepeda. :ariabel bebas sudut heli ditampilkan pada table 3.? dan
pasang gear untuk transmisi sepeda. /arna merah me*akili bagian daerah kontak pada
gear driver sedangkan biru driven.
abel 3.? :ariabel bebas sudut heli ditampilkan pada table 3.? dan pasang gear untuk transmisi sepeda
7=>#SX0
3 17
0 A
"?0.==7?
.=#
SX3
4 17 0
A "?=7?=#
SX?
III.2. $&mulas&
Pada tahap ini dilakukan simulasi 3D dinamis menggunakan soft*are 42. ntuk
men&alankan simulasi diperlukan langkah K langkah yang di&elaskan pada gambar 3.3
32
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
33/41
-ambar 3.0 diagram alir proses simulasi
Simulasi akan dilakukan dengan semua variasi yang mungkin ter&adi. Nika
simulasi dimisalkan S, pemodelan A X, torsi A M, maka simulasi akan dilakukan dengan
variasi mulai SX1M1 sampai SXM= dimana SX1M1 adalah simulasi pemodelan 1 beban
torsi ?. 5aka ada ?8 "86# kali simulasi. Dengan kondisi ini diharapkan data pada
kecepatan konstan, torsi konstan maupun variasi geometri.
33
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
34/41
III.2..1 Inut Eng&neer&ng Data
Proses input engineering data merupakan proses memasukkan data properti
mekanik material seperti kekuatan luluh, tarik, kompresi, dan lainnya seperti yang
disebutkan pada tabel 3.1. 5aterial yang digunakan untuk driver dan driven gear adalah
2)S) ?3?>.
III.2..2Import 0e-metr&
Pada tahap ini geometri roda gigi yang telah dibuat pada proses pemodelan 3D
dimasukkan ke dalamsoftware simulasiFEA agarsoftware simulasi mampu mengenali
format geometri yang dibuat sebelumnya.
III.2..3 Pen'e"&n&s&anBoundary Condition
Boundary conditionpada simulasiFEA memuat semua kontak, &oint, beban, serta
konstrain. Pendefinisian boundary condition dimulai dari pendefinisian kontak.
Pendefinisian kontak merupakan cara agar program simulasi dapat mengenali permukaan@
permukaan yang akan mengalami kontak. ontak yang diterapkan pada simulasi ini
adalah kontak &enis frictional dengan besar koefisien gesek >.>6 "untuk contoh SX?M1#.
Semua kontak yang diterapkan pada simulasi ini dapat digambarkan sebagai berikut.
-ambar 3.3 pendefinisian kontak gigi@gigi pada soft*are 42 "model SX8M1#
Dari gambar di atas, driver gear merupakan gear yang memiliki permukaan
kontak ber*arna merah yang berarti permukaan tersebut merupakan permukaan yang
melakukan kontak secara aktif. Sedangkan gear memiliki permukaan kontak ber*arna
biru yang menyatakan bah*a gear merupakan bagian yang terimbas kontak oleh driver
gear. Pengaturan kontak secara lengkap dapat dilihat pada tabel 3.6.
34
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
35/41
abel 3.= Pengaturan kontak pada soft*are 42
Eb&ect
Eb&ect faces
arget 11> faces
;ontact +odies SX8M3
arget +odies SX8M3
Definition
ype rictional
riction ;oefficient >.>6
Scope 5ode 5anual+ehavior Symmetric
Suppressed
orsional Damping >
Suppressed
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
36/41
"a# "b#
-ambar 3.? Pendefinisian &oint pada "a# driver gear dan "b# driven gear "model SX8M1#
Proses pendefinisan beban adalah proses menginput beban pada model.
Pembebanan yang digunakan adalah &oint rotational velocity "rpm#, &oint moment "torsi#,
dan standard earth gravity "percepatan gravitasi#. Setelah pendefinisian &oint dilakukan,
maka dilan&utkan dengan pendefinisian beban. Pada proses ini, semua beban yang berlaku
pada kondisi operasi sebenarnya dari roda gigi diterapkan. Pada penelitian ini, beban
yang beker&a pada roda gigi antara lain beban akibat putaran dan kontak antar gigi seperti
torsi dan inersia. +erikut pengatura pada masing masing pembebanan "model SX8M1#.
abel 3.1> Pengaturan pembebanan torsi C 9P5
Scope
Joint evolute!"round #o driver
$efinition
$%F otation &
#ype 'o(ent
'agnitude )*+lbf!in ,step applied-
.ock at .oad Step /ever
Suppressed /o
abel 3.11 Pengaturan pembebanan gravitasi
Scope
"eo(etry All Bodies
$efinition
0oordinate Syste( "lobal 0oordinate Syste(
1 0o(ponent !)23456 in7s86step applied-
9 0o(ponent 5
& 0o(ponent 5
Suppressed /o
$irection !1 $irection
emudian pastikan model pembebanan seperti pada gambar yang ditun&ukkan
gambar 3. sebelum dilakukan solving pada 2
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
37/41
-ambar 3. Pembebanan pada model
Pada gambar 3., dapat dilihat beberapa beban yang diaplikasikan pada model.
2nak panah ber*arna kuning menyatakan beban akibat percepatan gravitasi atau gaya
berat. +eban ini diaplikasikan pada kedua roda gigi. Sedang grafik beban ber*arna birumerupakan pembebanan akibat gerak dari kedua roda gigi.
Pendefinisian ti(e setting dilakukan supaya simulasi ber&alan pada *aktu yang
telah ditentukan oleh peneliti. Pendefinisian ti(e setting mencakup *aktu a*al, &arak
*aktu minimum, &arak *aktu maksimum, lama *aktu simulasi. Pengaturan analisa time
setting ditun&ukkan pada table berikut "model SX8M1#.
abel 3.! Pengaturan analisa simulasi dan time setting
%bject Analysis Settings
Step 0ontrol
/u(ber of Step *
0urrent Step /u(ber *
Step End #i(e +:e!55)s
Auto #i(e Setting %n
;nitial #i(e Step +:e!55+s
'ini(u( #i(e Step +:e!55+s
'axi(u( #i(e Step +:e!55
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
38/41
-ambar 3.= 5eshing pada model 3D "model SX8M1#
abel 3.6 Detail Pengaturan 5eshing
Display
Display Style +ody ;olor
Defaults
Physics Preference 5echanical
Solver Preference 5echanical 2PD
9elevance >
4lement 5idiside nodes >
Si$ing
se 2dvanced Si$ing Eff
9elevance ;enter ;oarse
4lement Si$e Default
)nitial Si$e Seed 2ctive 2ssembly
Smoothing 5edium
ransition ast
Span 2ngle ;enter ;oarse
5inimum 4dge ength 3.1106e@>>0 in
abel 3. Detail Pengaturan 5etode 5eshing
Scope
Scoping 5ethod -eometry Selection-eometry 0 bodies
Definition
Suppressed
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
39/41
*aktu tertentu. %al ini dimaksudkan agar ter&adi kompromi antara akurasi hasil dan
*aktu simulasi.
-ambar 3.6 "a# Penerapan face si$ing pada driver gear "b# Penerapan face si$ing pada driven gear "model
SX8M1#
Detail pengaturan kontrol local (es= disa&ikan pada table 3.8
abel 3.8 Pengaturan kontrol elemen mesh
%bject Face si>ing * Face si>ing 8
Scoping 'et=od "eo(etry Selection "eo(etry Selection
"eo(etry *+2 faces 8)< faces
/a(ed Selection driver driven
#ype Ele(ent Si>e
Ele(ent Si>e 54* in
Be=avior Soft
III.2..: Pen'e"&n&s&an Output
Setelah proses iterasi selesai, program akan menyimpan data@data hasil iterasi.
Data tersebut dapat ditampilkan secara 3D namun harus ditentukan terlebih dahulu data
yang kita butuhkan, pada penelitian ini data yang dibutuhkan adalah :on 5ises pada
seluruh bagian pasangan gear, dan untuk mengetahui besar tegangan yang ter&adi pada
masing masing gear serta membedakan tegangan kontak dantegangan bending,
pengatturan dapat dilakukan seperti pada table berikut ini "model SX8M1#.
abel 3.13 Pengaturan output von@mises seluruh body
Scope
Scoping
'et=od
/a(e
Selection
/a(
e
Selectio
n
/a(e
Selection
/a(
e
Selectio
n
/a(e
Selection
/a(e
Selection
"eo(etry Surface
contact
$riven
Fillet
$riven
Surfac
e contact
$riven
Fillet
$riven
Surfac
e contact
$riven
Fillet
$riven
3!
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
40/41
$efinition
#ype Equivalent ,?on!
'isses-
/or(al Stress #angential Stress
By #i(e
$isplay #i(e .ast
0alculate
#i(e History
9es
;dentifier
Suppressed /o
Setelah itu, maka didapatkan tabular data yang berisikan data tegangan pada
setiap *aktu tertentu.
-
7/26/2019 gabungan 1 2 3 baru
41/41
"psi# "psi#1 3.= 7 =0.= =0.=
0 3.= 7 =0.= 63
3 3.= 7 =0.= 8.=? 3.= 7 =0.= 1>=
= 3.= 7 =0.= 1=.=
6 3.= 7 =0.= 31=
?> 7 => =0.=
Y Y Y Y Y Y Y Y Y
0? ?=7?= 31= !>=
=.3
13??! =>>8.
1030>
Setelah data dimasukkan ke dalam tabel, data@data tersebut kemudian diolah
men&adi grafik@grafik. -rafik digunakan untuk mempermudah analisa. 2dapun grafik
yang akan dibuat adalah grafik tegangan bending vonmises terhadap beban torsi, grafik
tegangan kontak vonmises terhadap beban torsi, grafik tegangan bending normal terhadap
beban torsi, grafik tegangan kontak normal terhadap beban torsi, grafik tegangan bending
tangential terhadap beban torsi, grafik tegangan kontak tangential terhadap beban torsi.