UNIVERSITAS DIPONEGORO

ANALISA DINAMIK CONNECTING ROD MOTOR 4 LANGKAH

MULTI-SILINDER IN-LINE DENGAN MENGGUNAKAN

SIMULASI MATLAB-SIMMECHANIC

TUGAS AKHIR

PANJI SASONGKO JATI

L2E 007 070

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK MESIN

SEMARANG

SEPTEMBER 2012

ii

TUGAS SARJANA

Diberikan kepada :

Nama : Panji Sasongko Jati

NIM : L2E 007 070

Pembimbing I : Dr. Achmad Widodo, ST, MT

Pembimbing II : Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT

Jangka Waktu : 7 (tujuh) bulan

Judul : Analisa Dinamik Connecting Rod Motor 4 Langkah Multi-

Silinder In-Line dengan Menggunakan Simulasi Matlab-

Simmechanic

Isi Tugas :

1. Memodelkan mekanisme slider crank multi-silinder in-line

ke dalam blok Matlab-Simmechanic.

2. Menganalisa kinematika dan kinetika mekanisme slider

crank multi-silinder in-line dengan menggunakan Matlab-

Simmechanic.

Dosen Pembimbing I, Dosen Pembimbing II,

Dr. Achmad Widodo, ST, MT Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT

NIP. 197307021999031001 NIP. 196605212006041010

iii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi/Tesis/Disertasi ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

NAMA : Panji Sasongko Jati

NIM : L2E 007 070

Tanda Tangan :

Tanggal : September 2012

iv

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

NAMA : Panji Sasongko Jati

NIM : L2E 007 070

Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin / S-1

Judul Skripsi : Analisa Dinamik Connecting Rod Motor 4 Langkah Multi-

Silinder In-Line dengan Menggunakan Simulasi Matlab-

Simmechanic

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai

bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Diponegoro.

TIM PENGUJI

Pembimbing I : Dr. Achmad Widodo, ST, MT ( )

Pembimbing II : Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT ( )

Penguji : Ir. Bambang Yunianto, MSc ( )

Penguji : Dr. Jamari, ST, MT ( )

v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Panji Sasongko Jati

NIM : L2E 007 070

Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin

Fakultas : Teknik

Jenis Karya : Tugas Akhir

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada

Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty

Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:

“ANALISA DINAMIK CONNECTING ROD MOTOR 4 LANGKAH

MULTI-SILINDER IN-LINE DENGAN MENGGUNAKAN

SIMULASI MATLAB-SIMMECHANIC”

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif

ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola

dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir

saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai

pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Semarang

Pada Tanggal : September 2012

Yang menyatakan

(Panji Sasongko Jati)

vi

HALAMAN PERSEMBAHAN

Tugas Sarjana ini sebagai rasa syukur Penulis dan dipersembahkan untuk:

Bapak, Ibu, Adik dan keluarga besar tercinta yang selalu memberikan do’a dan

dukungan baik moril maupun material, terima kasih.

Teman-teman Teknik Mesin UNDIP angkatan 2007 sebagai motivator,

inspirator, dan kompetitor.

Teman-teman KKN khususnya Desa Mantingan, Kec. Tahunan, Jepara, terima

kasih atas support yang diberikan.

vii

ABSTRAK

Connecting rod merupakan komponen pada mekanisme slider crank yang bekerja

sangat aktif akibat gerak putar crankshaft dan gerak translasi piston. Sehingga gaya

yang diterima komponen ini cukup besar untuk menyebabkan kegagalan jika connecting

rod digunakan pada kecepatan rotasi tinggi. Mesin yang memiliki banyak silinder dapat

menghasilkan kecepatan rotasi yang tinggi. Maka diperlukan penelitian mengenai

fenomena dinamika khususnya fenomena kinematika dan kinetika untuk mengetahui

pengaruh kecepatan rotasi mesin terhadap gaya yang bekerja pada connecting rod pada

mesin multi-silinder segaris 4 langkah. Fenomena kinematika dan kinetika connecting

rod ini dianalisa menggunakan software Matlab-Simmechanic. Input yang digunakan

adalah kecepatan rotasi mesin yang diukur pada crankshaft. Output yang akan dianalisa

adalah kecepatan dan percepatan angular (kinematika), gaya yang bekerja pada

connecting rod (kinetika), dan torsi saat mekanime slider-crank bekerja. Analisa

dilakukan dengan mengelompokkan silinder sesuai keserupaan fasenya. Hasilnya,

semakin tinggi kecepatan rotasi mesin, makin besar pula kecepatan dan percepatan

angular, torsi mekanisme slider-crank, dan gaya yang bekerja pada connecting rod.

Kata kunci : connecting rod, slider-crank, kinematika, kinetika, simmechanic

viii

ABSTRACT

Connecting rod is the most active component in slider crank mechanism, due to

rotational motion of crankshaft and translation motion of piston. So, the force that

acting in this component is huge enough to cause a fatigue, if the connecting rod being

used in a high engine rotational speed. An engine that have many cylinder can produce

a high engine rotational speed. Research about dynamic phenomenon specially

kinematic and kinetic phenomenon is needed to know the effect of engine rotational

speed compared the acting force in a multi cylinder inline 4 stroke connecting rod. The

connecting rod kinematic and kinetic phenomenon is analyzed with a Matlab-

Simmechanic software. The input that used in this research is a measured engine

rotational speed in crankshaft. The output which will be analyzed is angular velocity

and acceleration (kinematic), connecting rod acting force (kinetic), and torque that act

in this mechanism. Analyze will be done with separate the cylinder depended the

similarity phase. Finally, if engine rotational speed increase then the force that act in

connecting rod is bigger.

Keywords : connecting rod, slider-crank, kinematic, kinetic, simmechanic

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan atas karunia Allah SWT yang telah memberikan

rahmat dan hidayahnya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini.

Tidak lupa penulis mengucapkan terimakasih kepada,

1. Kedua orang tua yang telah sabar mendidik, membesarkan dan berdoa untuk penulis.

2. Bapak Dr. Achmad Widodo, ST, MT sebagai Dosen pembimbing TA 1.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ismoyo Haryanto, MT sebagai Dosen pembimbing TA 2.

4. Saudari Srini sebagai partner penelitian dan pengerjaan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa laporan Tugas akhir ini jauh dari sempurna dan masih

banyak kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan beberapa saran dan kritik

yang membangun agar laporan ini jauh lebih baik. Semoga laporan ini bisa bermanfaat

bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya.

Semarang, September 2012

Panji Sasongko Jati

NIM. L2E 007 070

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................... i

HALAMAN TUGAS SARJANA ................................................................................ ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ....................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .................................. v

HALAMAN PERSEMBAHAN .................................................................................. vi

ABSTRAK ................................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ................................................................................................. ix

DAFTAR ISI ................................................................................................................ x

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL ........................................................................................................ xvi

NOMENKLATUR ...................................................................................................... xvii

BAB I

PENDAHULUAN ................................................................................................................................. 1

1.1 Latar Belakang ...................................................................................................... 1

1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah .................................................................................................... 2

1.4 Metode Penelitian .................................................................................................. 3

1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................................ 3

BAB II

DASAR TEORI ...................................................................................................................................... 5

2.1 Klasifikasi Motor Bakar ......................................................................................... 5

2.1.1Istilah-Istilah pada Mesin Bolak-Balik/Recriprocating Engines ................. 8

xi

2.1.2Four-Stroke Engine ....................................................................................... 9

2.1.3In-Line Multi-Cylinder ICE ......................................................................... 13

2.2 Rigid Bodies/Benda Tegar dan Plane Motion ...................................................... 13

2.3 Kinematika Benda Tegar ..................................................................................... 15

2.3.1Rotasi .......................................................................................................... 16

2.3.2Absolute Motion........................................................................................... 17

2.3.3Kecepatan Relatif Akibat Rotasi ................................................................. 18

2.3.4Percepatan Relatif Akibat Rotasi ................................................................. 20

2.4 Kinetika Benda Tegar .......................................................................................... 21

2.4.1Persamaan Dasar Gerakan ........................................................................... 22

2.4.2Translasi ...................................................................................................... 24

2.4.3Rotasi pada Sumbu Tetap ............................................................................ 25

2.5 Analisa Dinamis Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line ........................... 27

2.5.1Kinematika pada Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line................... 27

2.5.2Kinetika pada Mekanisme Slider-Crank ..................................................... 30

2.5.3Torsi Mekanisme Slider-Crank 4-Silinder In-Line ..................................... 32

2.6 Software Simmechanic ........................................................................................ 33

BAB III

ANALISA DINAMIKA DAN PEMODELAN SIMULASI CONNECTING ROD ......... 34

3.1 Analisa Kinematika dan Kinetika Connecting Rod ............................................. 34

3.1.1Kinematika Connecting Rod .................................................................... 35

xii

3.1.2Kinetika Connecting Rod ............................................................................ 39

3.1.3Torsi Saat Mekanisme Bekerja .................................................................... 42

3.2 Pemodelan Connecting Rod ................................................................................. 43

3.2.1Simulasi dengan Simmechanic 3.0 .............................................................. 46

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................................................ 57

4.1 Analisa Kinematika Connecting Rod ................................................................... 57

4.2.1Hasil Plot Kecepatan Angular ..................................................................... 58

4.2.2Hasil Plot Percepatan Angular ..................................................................... 61

4.2 Analisa Kinetika ................................................................................................... 64

4.2.1Hasil Plot Gaya Connecting Rod Untuk Berbagai Variasi Kecepatan Rotasi

Mesin ........................................................................................................... 65

4.2.2Hasil Plot Torsi Mekanisme Slider-Crank .................................................. 70

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................................................ 73

5.1 Kesimpulan .......................................................................................................... 73

5.2 Saran .................................................................................................................... 75

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................................... 76

LAMPIRAN........................................................................................................................................... 78

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Mesin mobil (ICE) ....................................................................................... 5

Gambar 2. 2 Terminologi pada ICE ................................................................................. 8

Gambar 2. 3 Penampang mesin vertikal 4 langkah SOHC(Single Over Head Camshaft)

......................................................................................................................................... 10

Gambar 2. 4 Diagram siklus kerja motor bensin 4 langkah ............................................ 10

Gambar 2. 5 Prinsip kerja torak 4 langkah...................................................................... 11

Gambar 2. 6 Bagian-bagian motor bensin 2 langkah ...................................................... 12

Gambar 2. 7 Mesin multi-silinder segaris ....................................................................... 13

Gambar 2. 8 (a)Rectilinier translation, (b)Curvilinier translation ................................. 14

Gambar 2. 9 Gerak rotasi terhadap sebuah sumbu ......................................................... 15

Gambar 2. 10 Gerak kombinasi translasi dan rotasi ....................................................... 15

Gambar 2. 11 Gerak rotasi benda tegar........................................................................... 16

Gambar 2. 12 Benda tegar berputar terhadap titik O ...................................................... 17

Gambar 2. 13 Contoh mekanisme pendekatan absolute motion ..................................... 18

Gambar 2. 14 Diagram benda bebas pendekatan absolute motion ................................. 18

Gambar 2. 15 Relative motion ........................................................................................ 19

Gambar 2. 16 Pengubahan free-body diagram sebuah benda menjadi diagram kinetika

......................................................................................................................................... 22

Gambar 2. 17 Gaya yang bekerja pada sebuah benda tegar............................................ 23

Gambar 2. 18 Rectilinier dan curviliniear translation .................................................... 24

Gambar 2. 19 (a)Rotasi benda tegar,(b)Diagram benda bebas,(c)Diagram kinetika ...... 25

Gambar 2. 20 Titik Q sebagai center of percussion ........................................................ 26

Gambar 2. 21 Mekanisme slider-crank........................................................................... 27

Gambar 2. 22 Percepatan connecting rod ....................................................................... 30

Gambar 2. 23 Diagram gaya piston ................................................................................ 31

Gambar 2. 24 Diagram gaya connecting rod .................................................................. 31

Gambar 2. 25 Diagram gaya crankshaft ......................................................................... 32

xiv

Gambar 2. 26 Contoh pengkonversian gambar 3D ke dalam simmechanic ................... 33

Gambar 3. 1 Skema sederhana sistem slider-crank ........................................................ 34

Gambar 3. 2 Gaya pada piston ........................................................................................ 39

Gambar 3. 3 Diagram benda bebas gaya connecting rod ............................................... 41

Gambar 3. 4 Diagram benda bebas torsi crankshaft ....................................................... 42

Gambar 3. 5 Diagram alir penelitian ............................................................................... 44

Gambar 3. 6 (a)Model 3D solidwork mekanisme slider-crank,(b)Model 3D solidwork

connecting rod dan piston ............................................................................................... 45

Gambar 3. 7 (a)Blok-blok simmechanic mewakili mekanisme slider-crank,(b) Blok-

blok simmechanic mewakili sistem silinder ................................................................... 47

Gambar 3. 8 Contoh blok pada simmechanic ................................................................. 47

Gambar 3. 9 Parameter blok: Crankshaft....................................................................... 48

Gambar 3. 10 Parameter blok: Ground ........................................................................... 49

Gambar 3. 11 Parameter blok: Machine Enviroment ...................................................... 50

Gambar 3. 12 Parameter blok: Revolute ......................................................................... 51

Gambar 3. 13 Parameter blok: Prismatic ........................................................................ 52

Gambar 3. 14 Parameter blok: Joint Initial Condition.................................................... 53

Gambar 3. 15 Parameter blok: Joint Sensor .................................................................. 53

Gambar 3. 16 Scope ........................................................................................................ 54

Gambar 3. 17 Simulasi simmechanic .............................................................................. 55

Gambar 4. 1 Mechanism slider crank ............................................................................. 57

Gambar 4. 2 Grafik kecepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 1 dan 4 ...... 59

Gambar 4. 3 Grafik kecepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 2 dan 3 ...... 60

Gambar 4. 4 Grafik kecepatan angular terhadap waktu pada silinder 1 dan 4 ............... 60

Gambar 4. 5 Grafik percepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 1 dan 4 ..... 62

Gambar 4. 6 Grafik percepatan angular terhadap sudut crank pada silinder 2 dan 3 ..... 63

Gambar 4. 7 Grafik percepatan angular terhadap waktu pada silinder 1 dan 4 .............. 63

Gambar 4. 8 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 2000rpm pada silinder 1 dan 4…. 67

Gambar 4. 9 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 2000rpm pada silinder 2 dan 3 ..... 67

Gambar 4. 10 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 3600rpm pada silinder 1 dan 4 ... 68

Gambar 4. 11 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 3600rpm pada silinder 2 dan 3 ... 68

xv

Gambar 4. 12 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 5400rpm pada silinder 1 dan 4 .. 69

Gambar 4. 13 Grafik gaya terhadap sudut crank saat 5400rpm pada silinder 2 dan 3 ... 69

Gambar 4. 14 Grafik torsi terhadap sudut pada silinder 1 dan 4 .................................... 71

Gambar 4. 15 Grafik torsi terhadap sudut pada silinder 2 dan 3 .................................... 71

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 3. 1 Properti baja AISI 4340 ................................................................................. 56

Tabel 4. 1 Massa dan inersia komponen mekanisme slider-crank ................................ 72

xvii

NOMENKLATUR

Simbol Keterangan Satuan

F Gaya N

m Massa Kg

a Percepatan m/

v Kecepatan m/s

ω Kecepatan Angular rad/s

α Percepatan Angular rad/

I Momen Inersi kg.

M Momen N.m