Desain dan Optimasi Connecting Rod
Connecting Rod Merupakan salah satu part utama yang menghubungkan antara piston dengan crankshaft pada internal combustion engine. Tegangan yang besar terjadi pada pembebanan part ini, namun pengurangan material sangat penting pada proses produksinya untuk menekan biaya produksi dan menurunkan beban dinamik pada part lainya
Connecting rod adalah salah satu bagian yang vital dari mesin pembakaran dalam (internal combustion engine), baik untuk mesin bensin maupun diesel. Part ini menghubungkan antara daya yang dihasilkan dari pembakaran yang mendorong piston, untuk memutar crank shaft yang pada akhirnya digunakan untuk memutar mesin kemudian roda kendaraan.
Desain dari connecting rod ini harus dapat menahan beban yang dihasilkan dari dorongan piston. Bentuk penampang lintang (cross section) dari connecting rod beam dedesain untuk menahan beban bending yang dihasilkan saat berputar, baik dari dorongan piston atau menahan inersia putaran dari crankshaft.
Perhitungan kekuatan dari connecting rod dapat dihitung menggunakan persamaan bending biasa untuk cross sectionnya. Namun pada kenyataanya, tegangan-tegangan yang tertinggi justru kadang terjadi pada daerah-daerah dengan konsentrasi tegangan, misalkan pada sambungan mur baut, ataupun kontak antar-konektornya.
Sehingga metode yang paling umum digunakan untuk menyelesaikan permasalahan semacam ini adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA), yaitu metode komputasi numerik yang dapat digunakan untuk menghitung struktur (tegangan, regangan, deformasi, fatigue, dll) pada struktur yang rumit sekalipun. Salah satu software FEA yang paling banyak digunakan di industri untuk mendesain connecting rod adalah MSC Nastran.
Namun, perlu diketahui juga bahwa beban dari connecting rod ini sangatlah dinamis, yang selalu berubah terhadap sudut rotasi dari crank-shaft nya, terlebih lagi efek inersia dari gerakan connecting rod ini juga memberikan beban lebih pada structure ini. Oleh karena itu, perhitungan dengan FEA statis saja terkadang tidak cukup, sehingga diperlukan analisis Multi-body Dynamics untuk menghitung faktor dari dinamika sistem tersebut. Salah satu software standar industri yang digunakan pada aplikasi ini adalah Adams. Pada contoh animasi di bawah ini, dihitung gaya reaksi pada pin terhadap posisi sudut rotasi connecting rod menggunakan Adams.
Dengan software Adams, anda dapat mengkombinasikan secara langsung antara multibody dynamics dengan FEA untuk menghitung tegangan dan deformasi secara real time (contoh seperti animasi pada banner di atas page ini).
Ide dari penggunaan software-software ini adalah untuk memvariasikan berbagai macam skenario yang mungkin dilakukan, misalkan mengubah ukuran panjang, mengubah material, mengubah cross section, dan lain sebagainya untuk “melihat” di mana lokasi tegangan tertinggi nya, dan berapa nilainya. Dari hasil tersebut, kita dapat membuat plot distribusi tegangan pada part tersebut, sehingga kita dapat meningkatkan kekuatan pada titik tersebut dengan menambah material atau mengurangi lengan momenya, atau mengeliminasi bagian yang tidak menanggung beban sehingga material yang digunakan menjadi minim.
Pendefinisian ulang bentuk geometri dengan cara mengeliminasi bagian yang tidak menerima beban disebut juga dengan topology optimization. Hal ini dapat dilakukan secara otomatis dari software, misalkan MSC Nastran atau MSC Apex,salah satu software FEA dengan user-interface yang sangat modern dan bersahabat.
Pengurangan material ini mungkin terlihat sedikit untuk satu part crank-shaft, namun bayangkan jika part ini akan diproduksi ribuan kali, anda dapat bayangkan seberapa banyak saving yang dapat dilakukan oleh perusahaan. Belum lagi pengurangan berat ini akan mengurangi dynamic load pada piston dan crank shaft, yang pada akhirnya juga akan mengurangi biaya materialnya.
Anda dapat mempelajari tutorial simulasi Connecting rod pada video-video tutorial di bawah ini:
Author: Caesar Wiratama