PERHITUNGAN KEKUATAN KOMPONEN MEKANISME ENGKOL-BATANG PISTON

Perhitungan liner silinder

Liner silinder termasuk komponen mesin yang paling berat bebannya. Liner menerima tegangan dari gaya gas pembakaran, gaya samping piston, dan beban termal. Kondisi kerja yang berat menuntut liner dibuat dari besi cor paduan bermutu tinggi (SCh28-48, SCh35-56) atau baja. Perhitungan kekuatan hanya memperhitungkan beban utama: tekanan gas maksimum, tekanan samping piston, dan gradien suhu pada dinding liner. Tegangan paling kritis berasal dari tekanan pembakaran maksimum Pz, yang meregangkan silinder sepanjang garis pembentuknya dan pada penampang cincinnya (gbr. 5.1)

Dimensi konstruksi utama liner dipilih agar memberikan kekuatan dan kekakuan yang cukup untuk mencegah ovalisasi saat perakitan dan pengoperasian mesin. Tebal dinding yang mula-mula dipilih menurut kelaziman rancangan kemudian diverifikasi dengan rumus selongsong silindris.

Tebal dinding liner hasil hitungan, m

σ_z:

tegangan tarik izin untuk besi cor, MPa

p_z:

tekanan pembakaran maksimum, MPa;

δ_r:

tebal dinding liner silinder mesin prototipe, m

diameter silinder, m

Tegangan tarik pada liner akibat tekanan gas maksimum, MPa

σ_p:

Tegangan termal pada liner, MPa

ΔT

beda suhu antara permukaan dalam dan luar liner, K.

modulus elastisitas besi cor, MPa;

α_c

koefisien muai panjang;

Rasio Poisson.

σ_t:

Tegangan gabungan pada liner akibat tekanan gas dan beda suhu, MPa.

σ_max

tegangan gabungan izin, MPa (besi cor: 100–130 MPa; baja: 180–200 MPa)

Permukaan luar

σ_∑`:

tegangan gabungan (tarik + termal), MPa

Permukaan dalam

σ_∑``:

tegangan gabungan (tarik − termal), MPa

Perhitungan baut tanam kepala silinder

Baut tanam penahan beban dipakai untuk mengikat kepala silinder ke blok/bak engkol. Kondisinya dipengaruhi oleh gaya pengencangan awal, tekanan gas, serta beban akibat perbedaan suhu dan koefisien muai panjang bahan kepala, blok, dan silinder. Jumlah baut tanam, pengencangan awalnya, dan dimensi konstruksinya harus memastikan kepala silinder duduk rapat pada blok. Skema perhitungan baut tanam ditunjukkan pada gbr. 5.2.

Baut tanam dibuat dari baja karbon berelastisitas tinggi atau baja paduan tinggi (18KhNMA, 18KhNVA, 40KhNMA).

Saat mesin dingin dan tidak bekerja, baut tanam menerima gaya pengencangan awal, MN, yang ditentukan dengan rumus

koefisien pengencangan baut tanam;

koefisien beban dasar sambungan berulir; secara empiris χ = 0,15–0,25, umumnya mengecil seiring mengecilnya diameter baut.

i_shp

jumlah baut tanam per silinder;

d_shp

diameter baut tanam, m

t_shp

jarak ulir baut tanam, m

d_v

diameter dalam baut tanam, m

Fk/Fp

projected combustion chamber surface area onto the plane perpendicular to the cylinder axis, m²; Fk/Fp ≈ 1.1

F_p

F_k

P_zmax`

gaya tekanan gas pembakaran yang bekerja pada satu baut tanam, MN. Ditentukan dengan rumus

P_p

gaya pengencangan awal, MN,

P_pmax

Gaya total yang menarik baut tanam, MN

Tegangan maksimum dan minimum, MPa, yang timbul pada baut tanam ditentukan pada penampang baut dengan memperhitungkan diameter dalam ulir

σ_max

σ_min

Tegangan rata-rata dan amplitudo siklus, MPa

σ_m

σ_a

Faktor keamanan baut tanam harus lebih besar dari 2

σ_-1p

batas lelah tarik-tekan, MPa;

K_σ

koefisien konsentrasi tegangan pada ulir;

koefisien yang memperhitungkan mutu penyelesaian permukaan.

n_shp

Perhitungan kelompok piston

Perhitungan piston

Piston, yang digambarkan secara skematis pada gbr. 5.3, adalah elemen kelompok piston dengan beban terberat: ia menahan beban gas, inersia, dan termal yang tinggi, sehingga bahannya harus memenuhi persyaratan tinggi. Umumnya dibuat dari paduan aluminium, jarang dari besi cor.

Perhitungan verifikasi elemen piston dilakukan tanpa memperhitungkan beban berubah-ubah; pengaruhnya tercermin pada tegangan izin yang bersangkutan. Yang dihitung adalah mahkota, dinding kepala, bidang antara alur ring teratas, permukaan tumpu, dan rok piston.

d_m

diameter lubang pembuangan oli, m;

δ_p

tebal dinding mahkota piston, m;

tebal radial ring, m;

Δ_t

celah radial ring pada alur piston, m;

tebal dinding kepala piston, m.

r_i

jari-jari dalam mahkota piston, m

Tegangan lentur pada mahkota piston, MPa

σ_{iz_max}

tegangan lentur izin maksimum, MPa

σ_iz

Tegangan tekan pada penampang x-x, MPa

P_zd

gaya tekanan gas maksimum pada mahkota piston, MN

n_m`

jumlah saluran oli pada piston;

d_k

diameter piston pada dasar alur ring, m

d_i

diameter dalam piston, m

F_m`

longitudinal cross-sectional area of the oil channel, m²

F_x-x

cross-sectional area at x-x, m²

σ_{szh_max}

tegangan tekan izin maksimum, MPa

σ_szh

Tegangan tarik (putus) pada penampang x-x, MPa

langkah piston, m

panjang batang piston, m

m_p

massa kelompok piston, kg;

n_max

crankshaft rotation speed at idle, min⁻¹;

m_x-x

massa kepala piston di atas penampang x-x, kg

ω_x-x

maximum angular velocity, s⁻¹

jari-jari engkol, m

parameter kinematik mekanisme engkol-batang piston;

P_j

gaya inersia massa bolak-balik, N

σ_{r_max}

tegangan tarik izin maksimum, MPa

σ_r

Tegangan pada bidang antara alur ring teratas:

h_p

Tebal bidang antara alur ring teratas, m

tegangan geser, MPa

σ_iz

tegangan lentur, MPa

σ_{∑ max}

tegangan gabungan izin maksimum, MPa

σ_∑

tegangan gabungan lentur/geser (ekuivalen), MPa

Tekanan spesifik maksimum, MPa, dari rok piston (h_ubk = 0,053 m) dan permukaan samping (H_ubk = 0,076 m) terhadap dinding silinder

h_ubk

rok piston

permukaan samping

N_max

gaya normal maksimum pada sudut engkol 380°

q_{1 max}

untuk mesin otomotif dan traktor modern, q1 = 0,3–1,0 MPa

q₁

q_{2 max}

untuk mesin otomotif dan traktor modern, q2 = 0,2–0,7 MPa

q₂

Diameter kepala dan rok piston, m

Untuk mencegah piston macet saat mesin bekerja, diameter kepala Dg dan diameter rok Du ditentukan berdasarkan celah Δg dan Δu yang diperlukan antara dinding silinder dan piston dalam keadaan dingin. Berdasarkan data statistik, untuk piston aluminium dengan rok utuh (tanpa alur): Δg = (0,006–0,008)·D dan Δu = (0,001–0,002)·D; untuk piston besi cor: Δg = (0,004–0,006)·D dan Δu = (0,001–0,002)·D. Setelah Δg dan Δu ditentukan, dimensi berikut dihitung

α_c

koefisien muai panjang bahan piston

T_c

suhu dinding silinder;

T_iu

suhu rok piston;

T_g

suhu kepala piston;

T₀

suhu awal silinder dan piston, K

Δ_g

celah awal pada kepala piston

Δ_iu

celah awal pada rok piston

D_g

Diameter kepala piston, m

D_iu

Diameter rok piston, m

Δ_g`

celah hitung pada kepala piston

Δ_iu`

celah hitung pada rok piston

Perhitungan ring piston

A_{0 coef}

Koefisien A0

tebal radial ring, m;

modulus elastisitas bahan ring (besi cor kelabu: E = 1,0×10⁵ MPa; besi cor paduan: E = 1,2×10⁵ MPa; baja: E = (2,0–2,3)×10⁵ MPa) [3].

A₀

selisih celah ujung ring antara keadaan bebas dan terpasang (kerja);

p_cp

Tekanan rata-rata ring pada dinding silinder, MPa

koefisien yang bergantung pada cara pemasangan ring [3].

σ_{iz_max}

tegangan lentur izin maksimum

σ_iz1

Tegangan lentur ring saat bekerja, MPa

σ_iz2

Tegangan lentur ring saat dipasang pada piston, MPa

Tekanan ring pada dinding silinder

ψ, °	0	30	60	90	120	150	180
μ_k	1.05	1.05	1.14	0.90	0.45	0.67	2.85
p, MPa

Perhitungan pena piston

koefisien yang memperhitungkan massa pena piston. Untuk mesin karburator k = 0,76–0,86, untuk mesin diesel k = 0,68–0,81 [3].

P_j

gaya inersia kelompok piston, MN

Gaya hitung yang bekerja pada pena piston, MN

d_p

diameter luar pena, m;

l_sh

panjang bosh batang piston, m.

q_{sh_max}

untuk mesin otomotif dan traktor modern, q_sh = 20–60 MPa

q_sh

Tekanan spesifik pena pada bosh ujung kecil batang piston, MPa

l_p

panjang pena, m;

b_p

jarak antara permukaan ujung bos piston, m.

q_{b_max}

untuk mesin otomotif dan traktor modern, q_b = 15–50 MPa

q_b

Tekanan spesifik pena pada bos piston, MPa

d_pv

diameter dalam pena piston, m

rasio diameter dalam terhadap diameter luar pena

σ_{iz_max}

Untuk mesin otomotif dan traktor [σ_bend] = 100–250 MPa [3].

σ_iz

Tegangan lentur pada penampang tengah pena, MPa

θ_max

Untuk mesin otomotif dan traktor [τ] = 60–250 MPa [3]. Batas bawah berlaku untuk mesin traktor, batas atas untuk pena yang dibuat dari baja paduan [3].

Tegangan geser pada penampang antara bos piston dan kepala batang piston, MPa

modulus elastisitas baja, MPa;

Δd_{p_max}

Ovalisasi maksimum pena tidak boleh melebihi 0,02–0,05 mm [3].

Δd_p

Pertambahan terbesar diameter horizontal pena akibat ovalisasi, m

σ_max

tegangan ovalisasi izin maksimum

Tegangan ovalisasi pada permukaan luar pena, MPa:

σ_α0

pada bidang horizontal (titik 1, saat α = 0°)

σ_α90

pada bidang vertikal (titik 3, saat α = 90°):

Tegangan ovalisasi pada permukaan dalam pena, MPa:

σ_αi0

pada bidang horizontal (titik 2, saat α = 0°)

σ_αi90

pada bidang vertikal (titik 4, saat α = 90°):

Perhitungan kelompok batang piston

Perhitungan ujung kecil (pena piston)

Elemen kelompok batang piston yang dihitung adalah: ujung kecil, ujung besar, badan batang, dan baut batang piston. Batang piston dibuat dari baja dengan batas kekuatan dan batas luluh yang tinggi (40Kh, 18KhNVA, 49KhNMA).

Ujung kecil batang piston diperiksa terhadap kegagalan tarik pada penampang I-I (gbr. 5.6) akibat gaya inersia massa bolak-balik kelompok piston dan ujung kecil itu sendiri.

m_sh

massa batang piston

k_msh

(0,06–0,09);

d_gn

diameter luar ujung kecil, m;

m_vg

(0,06–0,09)·m_sh — massa bagian ujung kecil di atas penampang I-I, kg;

h_g

(d_gn − d_p)/2 — tebal dinding radial ujung kecil, m;

σ_max

Tegangan tarik tidak boleh melebihi 35 MPa [3].

Tegangan tarik (putus)

Perhitungan ujung besar (pena engkol)

m_shp

bagian massa bolak-balik kelompok batang piston, kg.

m_shk

bagian massa berputar kelompok batang piston, kg.

m_kr

massa tutup ujung besar, kg (≈0,25 dari massa batang piston)

d_shsh

diameter jurnal pena engkol, m;

t_v

tebal dinding cangkang bantalan, m;

l_k

panjang ujung besar, m.

c_b

jarak antar baut batang piston, m;

F_g

combined cross-sectional area of the cap and bearing shell at the calculated section, m²

I_v

momen inersia cangkang bantalan, m⁴

r_i

jari-jari dalam ujung besar batang piston, m

I_k

momen inersia tutup, m⁴

W_iz

modulus penampang tutup yang dihitung, tanpa memperhitungkan rusuk penguat, m³

P_p

Gaya putus maksimum, MN

σ_{iz_max}

tegangan izin maksimum, MPa

σ_iz

Tegangan lentur tutup dan cangkang bantalan, MPa

Perhitungan badan batang piston

Badan batang piston diperiksa terhadap kekuatan lelah di bawah gaya gabungan berubah-ubah yang timbul saat mesin bekerja.

h_sh

b_sh

a_sh

t_sh

F_cp

cross-sectional area at section B-B, m²

P_szh

tekan akibat gaya P_comp = P_max, MN, diambil dari perhitungan dinamis.

P_p

tarik akibat gaya P_tens = -P_jmax, MN, diambil dari perhitungan dinamis.

σ_czh

Tegangan akibat gaya tekan, MPa

σ_r

Tegangan akibat gaya tarik, MPa

σ_cp

Tegangan rata-rata sepanjang siklus, MPa:

σ_a

Amplitudo tegangan sepanjang siklus, MPa:

σ_-1p

batas lelah tarik-tekan, MPa.

ε_σ

koefisien yang memperhitungkan mutu penyelesaian permukaan;

α₁

koefisien yang bergantung pada karakteristik bahan;

Faktor keamanan pada penampang B-B, ditentukan dari batas lelah (harus lebih besar dari 2,5)

Perhitungan baut batang piston

Baut batang piston harus memiliki kekuatan dan keandalan tinggi. Baut dibuat dari baja mutu 35Kh, 40Kh, 45KhMA.

i_b

jumlah baut batang piston.

koefisien beban dasar sambungan berulir.

d_shb

diameter nominal baut, m;

t_shb

jarak ulir, m;

d_v

diameter dalam (kaki) ulir baut, m

P_pr

Gaya pengencangan awal, MN

P_b

Gaya total yang menarik baut, MN

σ_max

Tegangan maksimum pada baut, MPa

σ_min

Tegangan minimum pada baut, MPa

σ_m

Tegangan rata-rata siklus, MPa

σ_a

Amplitudo tegangan siklus, MPa

σ_-1p

batas lelah tarik-tekan, MPa.

K_σ

koefisien konsentrasi tegangan pada ulir;

koefisien yang memperhitungkan mutu penyelesaian permukaan;

n_b

Faktor keamanan baut harus lebih besar dari 2

Perhitungan kelompok poros engkol

Poros engkol termasuk komponen paling rumit, bekerja di bawah gaya dan momen yang berubah-ubah.

Perhitungan poros engkol yang disederhanakan dilakukan untuk menentukan tekanan spesifik pada jurnal pena engkol, faktor keamanan puntir jurnal utama dan jurnal pena engkol, serta tegangan pada jurnal pena engkol dan pipi engkol akibat gaya maksimum K dan T.

Contoh data masukan: gaya K = 38,52 kN, T = 8,94 kN; diameter jurnal pena engkol d_shsh = 0,053 m (luar), d_shsh_vn = 0,027 m (dalam); panjang lengan L_kv = 0,091 m, l_kv_1 = 0,046 m, l_kv_2 = 0,046 m; a_kv_1 = 0,017 m; lebar dan tinggi pipi engkol b_kv_sch = 0,023 m, h_kv_sch = 0,046 m; tumpang tindih jurnal X_kv = 0,024 m; jari-jari engkol R = 0,04 m; bahan poros — baja 45Kh.

l₁

l₂

d_shshvn

diameter dalam jurnal pena engkol, m.

σ_max

tegangan gabungan izin maksimum, MPa

Tentukan reaksi tumpuan,

R_K₁

R_K₂

R_T₁

R_T₂

Perhitungan jurnal pena engkol

M_ik

momen lentur, MN·m

W_u

section modulus in bending, m³

σ_ik

Tegangan lentur pada bidang engkol, MPa

M_it

momen lentur, MN·m

σ_it

Tegangan lentur pada bidang tegak lurus engkol, MPa

σ_iz

Tegangan lentur gabungan, MPa

M_kr

torsi, MN·m

W_u

section modulus in torsion, m³

Tegangan puntir, MPa

Tegangan ekuivalen, MPa

Perhitungan pipi engkol

Pipi engkol mengalami tegangan tekan atau tarik akibat gaya K, tegangan lentur pada bidang engkol akibat gaya K, tegangan lentur pada bidang tegak lurus engkol akibat gaya T, serta tegangan puntir akibat gaya T.

a₁

a₂

tumpang tindih jurnal, m

lebar pipi engkol, m

tinggi pipi engkol, m

Tegangan tekan (tarik),

σ_szh

MPa

Tegangan lentur pada bidang engkol akibat gaya K,

M_K1

MN·m

W_ik

section modulus in bending, m³

σ_{izg max}

Baja: 120–180 MPa, Besi cor: 80–100 MPa [6]

σ_K1

MPa

Tegangan lentur pada bidang tegak lurus engkol akibat gaya T,

M_T1

MN·m

W_it

section modulus in bending, m³

σ_it

MPa

Tegangan puntir akibat gaya T,

M_kr

MN·m

koefisien (Tabel 4.1, bergantung pada h/b)

W_kr

section modulus in torsion, m³

τ_max

Baja: 120–180 MPa, Besi cor: 80–100 MPa [6]

τ_max

pada sisi lebar pipi engkol, MPa

τ_min

pada sisi sempit pipi engkol, MPa