1
Abstrak — Saat ini banyak dikembangkan pemanfaatan
energi laut sebagai tenaga listrik, salah satunya Pembangkit
listrik tenaga Gelombang Laut. Tentunya diperlukan sistem
transmisi untuk mentransmisikan daya dan putaran poros agar
lebih cepat ke generator sehingga daya yang dihasilkan
semakin besar. Perancangan ini bertujuan untuk mendapatkan
rancangan planetary gear yang diberi pemberat pada ketiga
planet gearnya yang hasilnya akan didapatkan putaran output
yang tinggi dan juga rancangan konstruksi gear dan poros
berdasarkan analisa tegangannya. Pada perancangan ini
divariasikan sudut bandul ponton (20°,25°,30°,35°,40°) dan
tebal pemberat pada planetary gear (30 mm, 50 mm, 80
mm).dengan rancangan ini akan dihasilkan putaran terendah
913.7 rpm pada variasi pemberat planet gear tebal 80 mm dan
sudut bandul ponton 20° serta putaran tertinggi 1569.3 rpm
pada variasi pemberat planet gear tebal 80 mm dan sudut
bandul ponton 20°.
Kata Kunci : Planetary Gear, Sistem transmisi, energi laut,
ponton
I. PENDAHULUAN
INDONESIA sebagai negara kepulauan memiliki +
17.508 pulau dengan panjang garis pantai + 81.290 km,
artinya Indonesia memiliki potensi energi laut yang sangat
besar kususnya gelombang laut.
Pada masa sekarang banyak teknologi pembangkit tenaga
listrik di Indonesia yang salah satunya yaitu Pembangkit
Listrik Tenaga Gelombang – Sistem Bandul (PLTGL-SB)
yang sedang dikembangkan untuk mengatasi ketersediaan
listrik di salah satu tempat di Indonesia. Tentunya diperlukan
sistem transmisi untuk mentransmisikan daya dan putaran
poros ke generator. Pada Tugas Akhir ini akan dilakukan
perancangan Sistem Transmisi untuk Penerapan Energi Laut
secara simulasi dan perhitungan kekuatan
Permasalahan-permasalahan yang diangkat dalam
penelitian ini, antara lain:
1. Perancangan dan perhitungan kekuatan planetary gear
2. RPM output yang dihasilkan planetary gear berdasarkan
variasi pemberat dan sudut kemiringan bandul ponton
3. Menenetukan torsi output yang dihasilkan
Sedangkan tujuan dari penelitian ini ialah untuk menjawab
pertanyaan di atas.
II. URAIAN PENELITIAN
Berikut ini adalah alur dari kegiatan yang dilakukan untuk
menyelesaikan permasalahan dalam penelitian ini:
A. Tahap Telaah
Berbagai literatur digunakan dalam menunjang penelitian.
Mulai dari teori terhadap gelombang seperti periode,
amplitudo dan hal lainnya. Selain teori terhadap gelombang,
dicari pula literatur terhadap rumus dan nilai tegangan yang
terjadi pada mooring line.
B. Pengumpulan data
Merupakan tahap dimana mengumpulkan data seperti
variasi model dan lain lain. Kemudian didapatkan data sebagai
berikut :
design kecepatan putaran 15 rpm dengan panjang lengan
bandul 1,5 m dan berat desain bandul maksimal 270 kg. Data
lainnya menggunakan asumsi/variasi. Variasi yang dilakukan
yaitu pada variasi sudut kemiringan bandul ponton
(20°,25°,30°,35°,40°) dan variasi tebal pemberat pada planet
gear yaitu 30 mm, 50 mm, 80 mm.
C. Perancangan Gear
Merupakan Tahap dimana dilakukan perancangan
dimensi gear dan poros, analisa gaya, kekuatan, pemilihan
material gear dan poros sebelum dilakukan penggambaran
model.
D. Penggambaran Model
Pada tahap ini dilakukan penggambaran model Planetary
Gear dengan menggunakan software Solidworks. Tahapannya
yaitu untuk penggambaran Arm dan poros dilakukan pada part
section, sedangkan untuk gearnya menggunakan fasilitas tool
box. Setelah itu digabungkan semuanya pada assembly section
yang kemudian di “mate” semua bagian tersebut agar menjadi
konstruksi planetary gear yang di inginkan.
E. Solidworks Static Stress Simulation
Setelah dilakukan penggambaran model berdasarkan
perhitungan, maka diperiksa kekuatan gear dan porosnya
dengan menggunakan static stress simulation di solidworks
untuk validasi perhitungan yang telah dilakukan
F. Motion Analysis
Setelah model digambar di SolidWorks, maka dilakukan
motion analysis atau analisa gerakan gear yang dipengatuhi
oleh pemberat pada planet gearnya. Disini dicari RPM yang
Perancangan Sistem Transmisi Untuk Penerapan Energi Laut
Zeno(1)
dan Irfan Syarif Arief, ST.MT(2)
(1)
Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan ITS, (2),(3)
Staff Pengajar Teknik Sistem Perkapalan ITS,
Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
2
dihasilkan akibat pengatuh pemberat pada planet gearnya dan
torsi input.
G. Pengambilan Kesimpulan
Apabila perhitungan dan analisa dapat diterima, maka
langsung dapat diambil kesimpulan semua analisa tersebut
diatas tentang bagaimana rancangan Planetary Gear yang
paling optimal
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Perhitungan Kekuatan Gear Tahap awal perancangan sistem transmisi yaitu
penentuan beberapa parameter dasar seperti modul, jumlah
dan sudut gigi, tebal gigi, rasio diameter, rpm dan torsi
Untuk perhitungan torsi pada variasi sudut lainnya yaitu :
Berikut merupakan parameter dasar yang ditentukan :
Jenis planetary gear
Modul 5
diametral pitch 5,08
putaran input 15 rpm
ratio diameter 6
jumlah gigi sun gear 50 buah
jumlah gigi planet gear 100 buah
sudut tekan (ø) 200 full depth
diameter sun gear 250 mm 9,8425 inch
diameter planet gear 500 mm 19,685 inch
panjang lengan bandul 1500 mm 59,06 inch
berat bandul 270 Kg 595,08 lbf
Torsi 221433,7493 lbf.inch
setelah ditentukan parameter inputnya, lalu dilakukan
perhitungan untuk menentukan kekuatan gear dan poros.
Langkah 1 (menentukan dan mencari dimensi
roda gigi)
Jumlah gigi :
Dengan asumsi M = 5, didapat :
Langkah 2 (mencari dan menentukan daya yang
di transmisikan)
Daya yang ditransmisikan yaitu :
Langkah 3 (mencari dan menentukan gaya &
beban pada roda gigi)
Pitch line velocity :
fpm
Gaya tangensial :
Beban dinamis :
Karena Vp < 600 fpm, maka
√
lb
Tebal gear
Beban keausan ijin :
Rumus dasar :
NtgNtp
Ntg
dgdp
dgQ
.2.2
Kemudian dengan syarat :
Beban bending ijin :
Rumus dasar :
Langkah 4 (analisa kekuatan terhadap patahan)
Analisa Kekuatan Pinion Persamaan tegangan yang terjadi pada akar gigi :
Roda gigi akan aman jika memenuhi
SadT
Langkah 5 (analisa kekuatan terhadap keausan)
Analisa Kekuatan Pinion - Persamaan dasar keausan menurut metode
AGMA :
√
- Persamaan keausan yang diijinkan :
(
)
3
Kesimpulan
Dimensi utama roda gigi :
Karakteristik Planet Gear Sun Gear
Lebar gigi 50 mm = 1.968 inch
Sudut tekan 200 Full Depth
200 Full
Depth
Diametral pitch 5,08
Modul 5 Jari-jari 250 mm 500 mm
Jumlah gigi 100 50
Bahan
(material)
AISI 4340
steel
normalized
hardness 321
BHN
AISI 4340
steel
normalized
hardness 321
BHN
Tabel 4. 1 kesimpulan dimensi pasanagn gear yang dipakai
Kekuatan roda gigi :
Kekuatan roda gigi :
Tabel 4. 2 kesimpulan kekuatan pasangan gear
3.2 Perhitungan poros
Perencanaan & Perhitungan Poros input sun gear
Sketsa Gaya-Gaya pada poros model 3D
Gambar 4. 1 Sketsa gaya pada poros input (Sun Gear)
Untuk perhitungan dengan konstruksi poros yang arahnya
vertikal seperti ini, maka gaya-gaya yang menyebabkan
terjadinya puntiran hanya terjadi pada beban vertikal saja,
sehingga analisa gaya yang dicari adalah analisa gaya dari
bidang vertikal.
Analisa gaya bidang vertikal
Dengan konstruksi sedemikian, pada poros I (input) ini
momen paling besar yaitu berasal dari momen bandul sebesar
2551,22 Nm.
Untuk perhitungan momen pada masing-masing titik
adalah menggunakan cara perbandingan sebagai berikut :
Sedangkan untuk gaya yang terjadi pada setiap titik sama
dengan gaya pada titik A yaitu
Sehingga diagram momen dan diagram gaya yang
dihasilkan adalah
Gambar 4. 2 diagram momen dan gaya poros input
Analisa Torsi dan Momen Total
- Momen total :
4
- Torsi :
T = TA = 2551,22 Nm = 22580,25 lb.in
Menghitung Diameter Poros
Dengan asumsi-asumsi sebagai berikut :
1. Beban yang terjadi adalah beban statis
2. Dimensi poros adalah pejal atau Di = 0
3. Bahan yang digunakan adalah AISI 4030 steel annealed
Su = 745 MPa ; Syp = 470 MPa
Karena hanya menggunakan momen puntir, Maka
persamaan yang digunakan adalah :
Tegangan geser yang diijinkan[5]
τa (kg/mm2) untuk
pemakaian umum pada poros dapat diperoleh dengan berbagai
cara, salah satunya τa dihitung atas dasar batas kelelahan
puntir adalah 18% dari kekuatan tarik σB (sesuai standar
ASME)
Sehingga material AISI 1045 steel cold drawn dapat
digunakan karena tegangan ijin material lebih besar daripada
tegangan geser torsional nya. Berikut material yang dipilih
Perencanaan & Perhitungan Poros planet gear
Gambar 4. 3 Sketsa gaya pada poros Planet Gea)
Untuk momen input yaitu MA sudah diketahui yaitu
berasal dari momen bandul sebesar 2551,22 Nm.
Berbeda dengan poros input yang hanya menggunakan
momen puntir, poros pada planet ini, momen yang terjadi
hanya momen bending. Hal ini dikarenakan hanya ada gaya
horizontal pada poros planet yang posisinya vertikal. Gaya
horizontal ini dikarenakan adanya planet gear yang berputar
berevolusi mengelilingi sun gear. Untuk momen puntirnya
dianggap tidak ada karena pada planet gear dipasang bearing
sehingga dianggap menghilangkan momen puntir.
Analisa gaya bidang vertikal
Dengan konstruksi sedemikian, pada poros II (poros planet
gear) ini momen paling besar pada titik F yaitu berasal dari
sun gear. Momen pada sun gear tersebut 811752 Nmm.
Sedangkan momen pada planet gear merupakan 1/3 dari
momen yang ada di sun gear. Sehingga nilai momen di planet
gear menjadi 270584,363 Nmm
Untuk mencari gaya pada titik G yaitu :
ME = 0 searah jarum jam +
Fv (140) + Gv(280) = 0
5798,236(140) + Gv(280) = 0
Gv = 2899,118 N
Untuk mencari gaya pada titik E yaitu :
MG = 0 searah jarum jam +
Ev(280) + Fv (140) = 0
Ev(280) + 5798,236 (140) = 0
Ev = 2899,118 N
Untuk perhitungan momen pada masing-masing titik
adalah menggunakan cara perbandingan sebagai berikut :
MF = 270584,363 Nmm
MF (140) – MG (0) = 0
MG = 0
MF = 270584,363 Nmm
ME (0) - MF (140) = 0
ME = 0
Gambar 4. 4 diagram momen dan gaya poros planet gear
Dengan asumsi-asumsi sebagai berikut :
1. Beban yang terjadi adalah beban statis
5
2. Dimensi poros adalah pejal atau D = 40 mm
3. Bahan yang digunakan adalah AISI 1045 steel
Su = 745 MPa ; Syp = 470 MPa
4. Safety factor, N = 2.5
Maka persamaan yang digunakan adalah :
√
Dimana :
;
Sehingga :
√
√
Sehingga perhitungan safety factor nya menjadi
Sehingga tegangan maksimal akibat bending dapat
diterima karena kurang dari tegangan ijin material yang di
pilih.
3.3 Stress Analysis Stress analysis pada poros input (sun gear)
Berikut ini merupakan hasil dari stress analysis pada
poros input sun gear :
Gambar 4. 5 hasil simulasi Stress analysis poros input
Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa maksimum
torsional shear stress pada poros input tersebut berada pada
titik maksimum 106,659 MPa yang ditunjukkan letaknya
pada gambar diatas. Nilai ini hampir sesuai bila di
bandingkan dengan hitungan yang nilainya 103,9044 Mpa.
Dengan tegangan ijin material 133,0357 MPa untuk
pemilihan material yang syaratnya 18% UTS, material
AISI 4030 steel annealed dengan UTS 745 Mpa dapat
digunakan.
Stress analysis pada planet gear
Berikut ini merupakan hasil dari stress analysis pada
planet gear :
Gambar 4. 6 hasil simulasi Stress analysis pada planet gear
Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa maksimum
bending stress pada planet gear tersebut berada pada titik
maksimum 22,308 psi yang ditunjukkan letaknya pada
gambar diatas.
Stress analysis simulation (tegangan kerja) pada gear
tooth (sun gear)
Berikut ini merupakan hasil dari stress analysis pada
tegangan kerja yang terjadi pada gear tooth pada sun gear :
Gambar 4. 7 hasil simulasi Stress analysis (tegangan kerja)
gear tooth
Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa maksimum
tegangan kerja pada gigi dari sun gear tersebut berada
pada titik maksimum 23.885 Psi yang ditunjukkan
letaknya pada gambar diatas. Nilai ini hampir sesuai
6
bila di bandingkan dengan hitungan yang nilainya
22.794,3886 Psi.
Hal ini menunjukkan bahwa material yang dipilih yaitu
AISI 4030 steel normalized dengan tegangan izin
29125 Psi bisa digunakan. Karena dengan syarat
tegangan kerja kurang dari kekuatan material
(tegangan ijin material), maka material ini bisa
digunakan
Stress analysis simulation poros planet gear
Berikut ini merupakan hasil stress analysis pada poros
planet gear
Gambar 4. 8 hasil simulasi Stress analysis poros planet
gear
Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa maksimum
tegangan kerja pada gigi dari sun gear tersebut berada pada
titik maksimum 42,984 MPa yang ditunjukkan letaknya
pada gambar diatas. Nilai ini hampir sesuai bila di
bandingkan dengan hitungan yang nilainya 43,087 MPa.
Berikut ini merupakan safety factor dari poros planet
akibat bending stress
Gambar 4. 9 hasil simulasi Factor of safety poros planet
gear
3.4 Motion Analysis
Pada bagian ini dilakukan analisa putaran terhadap gerakan
planetary gear set yang sudah dirancang. Analisa putaran ini
dilakukan dengan input parameter torsi, rpm, dan material.
Untuk parameter input yang tidak berubah adalah putaran
input 15 rpm, dan material yang didapatkan dari perhitungan
diatas yaitu AISI 4340 normalized. Untuk input parameter
torsi dilakukan variasi terhadap sudut kemiringan bandul
ponton yaitu pada kemiringan 20, 25, 30, 35, 40 derajat[4][6]
.
Sedangkan untuk variasi kedua yaitu pada tebal dari pemberat
pada planet gear yaitu dengan variasi tebal 30,50, 80 mm.
Hasilnya ditampilkan pada tabel dan grafik dibawah ini :
Tabel 4. 3 variasi sudut bandul ponton dan pemberat
planet gear terhadap putaran yang dihasilkan
7
Dari Gambar 4. 10 , 4. 11 Grafik Perbandingan Sudut
bandul dengan putaran yang dihasilkan berdasarkan tebal
pemberat planet gear diatas, dapat diketahui bahwa semakin
besar sudut bandul ponton, semakin tinggi pula RPM output
yang dihasilkan. Karena semakin tinggi torsi yang
ditransmisikan, semakin tinggi pula putaran output yang
dihasilkan. Begitu pula sebaliknya. Dapat dilihat juga bahwa
semakin berat pemberat pada tiap planet gear, maka semakin
rendah putaran yang terjadi. Hal ini dikarenakan semakin berat
planet gear nya, semakin rendah putaran yang dihasilkan
Pada Gambar 4. 12 Grafik Daya output yang dihasilkan
berdasarkan nilai RPM dan torsi pada masing-masing variasi,
yaitu semakin tinggi RPM output dan Torsi output yang
dihasilkan, maka semakin besar daya yang dihasilkan. Hal ini
dapat dilihat nilai maksimum daya yang didapatkan dari
berbagai variasi tersebut yaitu 240.9 Hp dan nilai minimum
yaitu 73.1 Hp
IV. KESIMPULAN
Dari analisa diatas, dapat disimpulkan bahwa :
1. Perancangan sun gear dengan jumlah gigi 50 buah,
diameter 250 mm, modul 5 dan tebal 50 mm sedangkan
Perancangan planet gear dengan jumlah gigi 100 buah,
diameter 500 mm, modul 5 dan tebal 50 mm.
2. Dari setiap perhitungan perancangan planetary gear
set tersebut, sudah sesuai dengan hasil simulasi
walaupun ada sedikit perbedaan.
3. Perancangan planetary gear set dan material yang
dipilih dapat diaplikasikan untuk di buat modelnya
4. Dari variasi sudut bandul ponton (20°, 25°, 30°, 35°,
40°), semakin besar sudut bandul, semakin tinggi torsi
yang dihasilkan
5. Dari hasil motion simulation di solidworks, semakin
besar sudut bandul ponton, semakin tinggi pula RPM
output yang dihasilkan. Karena semakin tinggi torsi
yang ditransmisikan, semakin tinggi pula putaran
output yang dihasilkan. Begitu pula sebaliknya.
6. Dari hasil motion simulation di solidworks, semakin
kecil tebal pemberat planet gear, semakin besar juga
semakin tinggi RPM yang dihasilkan. Hal ini
dikarenakan planet gearnya semakin ringan sehongga
putaran semakin tinggi. Begitu pula sebaliknya.
7. Torsi output yanghnjhnj dihasilkan nilainya setengah
dari torsi input
8. Daya output didapatkan semakin besar sudut bandul
ponton, semakin tinggi pula daya output yang
dihasilkan karena daya dipengaruhi oleh RPM dan
torsi.
V. SARAN
Saran yang dapat diberikan dari penelitian ini adalah :
1. Diperlukan pembuatan secara langsung untuk model
maupun benda nyata dari planetary gear ini guna
mendapatkan nilai yang lebih valid
2. Dilakukan analisa tegangan menggunakan software lain
yang bisa mensimulasikan tegangan kontak pasangan
gear seperti Ansys FEM
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Irfan
Syarif Arief ,ST.MT dan Bapak Ir. Tony Bambang Musriyadi,
PGD, selaku dosen pembimbing atas arahan dan
bimbingannya. Terima kasih kepada seluruh pihak yang telah
membantu baik secara langsung maupun tidak langsung dalam
penelitian ini sehingga Penelitian ini dapat diselesakan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Deutschman D. Aaron, Michels J. Walter, Wilson E.
Charies. 1975. MACHINE DESIGN THEORY AND
PRACTICE. Macmillan Publishing Co. New york
[2] ELECTROMECHANICAL DESIGN HANDBOOK
[3] George W. Michalec. MACHINE ELEMENT.
Engineering and Science, Stevens Institute of Technology
[4] Resolution A.749(18). CODE ON INTACT STABILITY
FOR ALL TYPES OF SHIPS COVERED BY IMO
INSTRUMENTS.
[5] http://staff.unila.ac.id/suudi74/files/2012/09/Materi-
POROS-dengan-BEBAN-PUNTIR.pdf
[6] http://jagunglimabelas.blogspot.com/2013/03/mengenal-
stabilitas-kapal.html
[7] http://www.phy.mtu.edu/~suits/PH3110/pendulums.html .
Top Related