CAE Mengoptimalkan Kehidupan Kelelahan di Crankshaft Mesin Diesel

Bayangkan sebuah truk tugas berat yang melintasi medan pegunungan yang terjal, mesinnya meraung dengan tenaga. Di balik skenario yang tampaknya sederhana ini terdapat komponen penting yang mengalami tekanan tak terbayangkan—poros engkol. Sebagai salah satu elemen inti mesin, keandalan poros engkol secara langsung memengaruhi kinerja dan umur panjang mesin secara keseluruhan. Tetapi bagaimana para insinyur dapat memastikan pengoperasian yang stabil dalam kondisi ekstrem sambil mencegah kegagalan kelelahan yang dahsyat?

Dalam mesin pembakaran dalam, poros engkol menjalankan fungsi vital untuk mengubah gerakan bolak-balik piston menjadi gaya rotasi yang menggerakkan kendaraan dan peralatan. Bekerja bersama dengan kepala silinder, batang penghubung, poros bubungan, dan blok mesin, poros engkol mengalami beban dinamis yang kompleks dan berulang sepanjang masa pakainya.

Beban ini termasuk gaya yang dihasilkan oleh tekanan pembakaran silinder dan gaya inersia dari distribusi massa yang tidak merata. Fitur struktural seperti fillet pin engkol dan lubang oli menciptakan zona konsentrasi tegangan—lokasi utama untuk potensi kegagalan kelelahan. Sebagai mode kegagalan yang paling umum pada poros engkol, patahan kelelahan dapat menyebabkan kerusakan mesin yang parah dan potensi kecelakaan berbahaya, sehingga verifikasi keandalan sangat penting.

Tantangan desain modern—termasuk tuntutan akan kapasitas muatan yang lebih tinggi, bobot yang lebih ringan, peningkatan efisiensi, dan siklus beban yang lebih pendek—telah meningkatkan tekanan pada rekayasa poros engkol. Metode desain tradisional yang mengandalkan pengalaman dan pengujian fisik terbukti memakan waktu dan mahal. Analisis Rekayasa Berbantuan Komputer (CAE) sekarang memungkinkan prediksi dan optimasi kinerja selama fase desain awal, secara signifikan mengurangi garis waktu pengembangan sekaligus meningkatkan keandalan.

Penelitian ini menyajikan pendekatan pengembangan berbasis CAE yang komprehensif untuk poros engkol mesin diesel empat silinder, mulai dari desain konseptual hingga validasi akhir. Metodologi ini menggabungkan tahapan analitis utama berikut:

• Analisis Getaran Bebas: Menentukan frekuensi alami dan bentuk mode untuk menyesuaikan parameter modal dan mencegah kondisi resonansi yang dapat memperkuat getaran dan mempercepat kelelahan.
• Analisis Kekakuan Bending/Torsi: Mengevaluasi ketahanan setiap lemparan engkol terhadap deformasi, karena kekakuan yang tidak mencukupi dapat merusak kinerja dan umur mesin.
• Perhitungan Faktor Konsentrasi Tegangan (SCF): Mengidentifikasi puncak tegangan lokal di wilayah fillet kritis, tempat kegagalan kelelahan biasanya berasal.
• Analisis Dinamika Transien: Mensimulasikan perilaku sistem cranktrain lengkap (termasuk roda gila dan katrol) dalam kondisi pengoperasian untuk memetakan pola distribusi tegangan.
• Penilaian Umur Kelelahan: Menggunakan hasil tegangan dari analisis transien untuk memprediksi masa pakai melalui perangkat lunak khusus (misalnya, FEMFAT), menginformasikan strategi desain dan pemeliharaan.

3.1 Penerapan Beban dan Kondisi Batas

Simulasi beban yang tepat merupakan dasar dari analisis CAE yang akurat. Peneliti menerapkan gaya khusus silinder sesuai dengan urutan penembakan, memodelkan dua putaran poros engkol penuh untuk mencakup semua peristiwa pembakaran. Berasal dari diagram tekanan-sudut engkol (P-θ), beban dinamis diimplementasikan sebagai fungsi yang bergantung pada sudut/waktu di lokasi yang sesuai. Siklus rotasi dibagi menjadi 360 kenaikan untuk resolusi terperinci.

Kondisi batas mereplikasi batasan pemasangan yang sebenarnya—jurnal bantalan utama menerima penyangga tetap atau tipe bantalan untuk mensimulasikan koneksi blok mesin. Pertimbangan tambahan termasuk efek film oli pelumas, yang mengurangi gesekan sambil memengaruhi karakteristik getaran.

3.2 Analisis Getaran Bebas

Fase ini mengidentifikasi frekuensi getaran alami dan bentuk mode yang sesuai tanpa eksitasi eksternal. Menggunakan metode elemen hingga, analis mendiskritisasi poros engkol menjadi elemen komputasi untuk memecahkan persamaan gerak. Hasil memandu penyesuaian struktural—memodifikasi kekakuan atau distribusi massa—untuk menggeser frekuensi alami menjauh dari rentang eksitasi operasional dan menghindari resonansi.

3.3 Evaluasi Kekakuan Bending dan Torsi

Sebagai indikator kritis dari ketahanan deformasi, nilai kekakuan bending dan torsi dihitung melalui simulasi elemen hingga yang menerapkan beban momen atau torsi. Deformasi berlebihan dari kekakuan yang tidak mencukupi dapat mengganggu penyegelan silinder (bending) atau mengurangi keluaran daya (torsi). Temuan menginformasikan optimasi dimensi atau material untuk meningkatkan kekakuan.

3.4 Penentuan Faktor Konsentrasi Tegangan

Diskontinuitas geometris seperti transisi fillet dan lubang oli menciptakan intensifikasi tegangan lokal—penggerak utama kegagalan kelelahan. Nilai SCF (rasio tegangan puncak terhadap tegangan nominal) berasal dari penghalusan jaring elemen hingga dan perhitungan medan tegangan. Hasil memandu perbaikan geometris seperti memperbesar jari-jari fillet atau profil transisi yang dioptimalkan untuk mengurangi konsentrasi tegangan.

3.5 Simulasi Dinamis Transien

Analisis lanjutan ini menangkap perilaku sistem yang bergantung pada waktu termasuk efek inersia, redaman, dan nonlinier. Model cranktrain lengkap menggabungkan batang penghubung, piston, roda gila, dan katrol. Mensimulasikan skenario dunia nyata—startup, akselerasi, deselerasi—analisis menghasilkan riwayat perpindahan, kecepatan, percepatan, dan tegangan untuk evaluasi kelelahan.

3.6 Prediksi Umur Kelelahan

Menggunakan riwayat tegangan transien sebagai masukan, perangkat lunak analisis kelelahan menerapkan model kurva S-N atau ε-N untuk menghitung kerusakan kumulatif dari pembebanan siklik. Ketika akumulasi kerusakan mencapai ambang batas kritis, kegagalan terjadi. Kemampuan prediktif ini menginformasikan harapan umur desain dan jadwal pemeliharaan.

Hasil CAE memungkinkan penentuan spesifikasi dimensi, pemilihan material, dan proses perlakuan panas berbasis data. Optimasi struktural dapat mencakup modifikasi profil web engkol, desain fillet yang ditingkatkan, atau strategi pengurangan massa. Insinyur juga harus mengoordinasikan parameter poros engkol dengan komponen yang berdekatan—geometri batang penghubung, sifat massa roda gila—untuk memastikan kompatibilitas sistem.

Metodologi berbasis CAE ini memberikan penilaian kinerja poros engkol yang komprehensif dari konsep awal hingga validasi akhir. Mengintegrasikan analisis getaran, evaluasi kekakuan, pemetaan konsentrasi tegangan, dinamika transien, dan prediksi kelelahan memungkinkan optimasi yang ditargetkan yang mengurangi waktu dan biaya pengembangan sekaligus meningkatkan keandalan. Seiring kemajuan teknologi CAE, perannya yang berkembang dalam desain poros engkol akan terus mendorong inovasi dalam kinerja dan daya tahan mesin.