## PERENCANAAN BATANG TORAK MOTOR BENSIN 4 LANGKAH 100 CC
Sasi Kirono, Ery Diniardi, Ridwan Adha Jurusan Mesin, Universitas Muhammadiyah Jakarta
Abstrak. Dalam komponen motor 4 langkah batang torak merupakan komponen yang penting dalam meneruskan energi didalam ruang bakar ke poros engkol yang menghasilkan gerak  putar.  Dengan  fungsinya  untuk  meneruskan  gaya  yang  dihasilkan  oleh  pembakaran bahan  bakar  dari  torak  ke  poros  engkol,  maka  batang  torak  membutuhkan  kekuatan  yang tahan terhadap beban dinamis. Untuk mendapatkannya diperlukan perencanaan yang baik.
Kekuatan  batang  torak  perlu  diperhitungkan  dengan  menentukan  gaya-gaya  yang terdapat  di  bagian-bagian  batang  torak  tersebut,  seperti  pada  bagian  ujung  kecil,  batang, ujung besar, sehingga kita dapat menentukan dimensi dari bagian-bagian itu. Beban dinamik sangat dominan dalam menentukan kekuatan dan ukuran dari batang torak. Oleh karena itu kita  harus  memperhitungkan  faktor  keamanan  dan  faktor  konsentrasi  tegangan  pada  setiap bagian dalam batang torak untuk mendapatkan hasil yang baik.
Kata kunci: batang torak

## PENDAHULUAN

## Latar Belakang
Penggunaan  motor  bensin  4  langkah  pada  saat  ini  semakin  banyak  digunakan  pada kendaraan  sepeda  motor.  Banyak  merek-merek  sepeda  motor  yang  mengeluarkan  motor bensin 4 langkah. Pada sepeda motor biasanya putaran mesin dapat mencapai 12000 rpm, sehingga  diperlukan  komponen-komponen  mesin  yang  memenuhi  syarat  kekuatan  selain mempunyai keunggulan-keunggulan tersendiri.

## LANDASAN TEORI

## Pengertian Mesin Kalor
Pada  External  Combustion  Engine  proses  pembakarannya  terjadi  diluar  mesin  itu sendiri,  energi  termal  dari  hasil  pembakarannya  dipindah  ke  fluida  kerja  mesin  melalui dinding  pemisah.  Contohnya  pada  Turbin  Uap.  Pembakaran  terjadi  di  Boiler,  lalu  energi termal  berpindah  dari  gas  pembakaran  ke  fluida  kerja  yang  berupa  air  dan  uap  melalui dinding  Boiler.  Energi  termal  yang  sudah  berpindah  ke  uap  air  tersebut  digunakan  untuk memutar  turbin  uap,  dengan  cara  mengarahkan  uap  tersebut  untuk  mendesak  sudu-sudu turbin.
Pada Internal Combustion Engine yang lebih dikenal dengan nama motor bakar, prose pembakaran  berlangsung  didalam  mesin.  Dengan  demikian  gas  hasil  proses  pembakaran dapat  digunakan  langsung  sebagai  fluida  kerja.  Ada  beberapa  jenis  mesin  yang  termasuk dalam  Internal  Combustion  Engine  ini,  yaitu,  Sistem  Turbin  Gas,  Propulsi  Pancar  Gas  dan Motor Bakar Torak.
Mesin  propulsi  pancar  gas  adalah  mesin  yang  menghasilkan  gaya  dorong.  Gaya dorong  tersebut  terjadi  karena  adanya  perubahan  momentum  gas  yang  mengalir  melalui mesin  tersebut.  Dalam  hal  ini  momentum  gas  yang  keluar  dari  mesin  dinaikan,  terutama dengan  menaikan  kecepatannya  setelah  temperaturnya  lebih  dulu  dinaikan,  yaitu  dengan mengalirkan  melalui  nozel.  Makin  tinggi  perbedaan  momentum  antara  gas  yang  masuk kedalam dan yang keluar dari mesin, makin besar pula gaya dorong yang dihasilkan. Dalam hal tersebut sistim turbin gas berfungsi sebagai pembuat gas panas.  Contoh mesin propulsi pancar gas ialah turbo jet, ramjet dan roket.
Pada  motor  bakar  torak,  bagian  utamanya  adalah  silinder  yang  didalamnya  terdapat torak. Torak bergerak translasi (bolak-balik) didalam silinder sebagai akibat takanan gas hasil pembakaran  yang  terjadi  didalam  ruang  bakar  silinder  tersebut.  torak  dihubungkan  dengan poros  engkol  sedemikian  rupa,  sehingga  gerakan  translasi  tersebut  menimbulkan  putaran pada poros engkol dan demikian pula sebaliknya.

## Motor Bakar Torak
Motor bakar torak terbagi menjadi dua jenis utama yaitu motor Otto (Bensin) dan motor Diesel.10  Perbedan  utama  terletak  pada  sistem  penyalaannya.  Bahan  bakar  pada  motor bensin  dinyalakan  oleh  loncatan  api  listrik  diantara  kedua  elektroda  busi.  Karena  itu  motor bensin  dinamakan  juga  Spark  Ignition  Engines.  Sedangkan  motor  Diesel,  terjadi  proses penyalaan  sendiri,  yaitu  karena  bahan  bakar  disemprotkan  kedalam  silinder  berisi  udara yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Bahan bakar itu terbakar sendiri oleh udara yang mengandung 21% volume O2, setelah temperatur campuran itu melampaui temperatur nyala bahan  bakar.  Sedangkan  cara  penyalaan  dengan  cara  tersebut  maka  motor  diesel  disebut juga  Compresion  Ignition  Engines.  Berdasarkan  posisi  silindernya  terhadap  poros,  motor bakar torak dapat dibagi menjadi beberapa jenis :10
a.  Motor Bakar Torak Satu Baris (In-Line)
Silinder motor bakar ini semuanya terletak pada satu baris seperti tampak pada gambar 1.
Gambar 1.  Motor Bakar Torak Satu Baris. 10 b.  Motor Bakar Torak V (V-Line)
Posisi silinder motor bakar torak jenis  ini terdiri dari dua  baris membentuk sudut seperti huruf V, dengan satu sumbu poros engkol, seperti diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar 2. Motor Bakar Torak V. 10
c.  Motor Bakar Torak Berhadapan
Susunan  motor  bakar  torak  ini  terdiri  dua  baris  berhadapan  dimana  tiap  baris  memiliki poros engkol sendiri, seperti diperlihatkan pada gambar dibawah.
Gambar 3.  Motor Bakar Torak Berhadapan. 10 d.  Motor bakar torak Segitiga
Susunan  silinder  motor  bakar  torak  ini  terdiri  dari  tiga  pasang  motor  bakar  torak berhadapan  yang  susunannya  sedemikian  rupa  sehingga  membentuk  segitiga  seperti pada gambar 4.
e.  Moto Bakar Torak Horizontal
Susunan  silinder  motor  bakar  torak  jenis  ini  terdiri  dari  dua  baris  silinder  yang  bertolak belakang dengan satu poros engkol seperti pada gambar 5.
Gambar 5.  Motor Bakar Torak Horizontal.10
f. Motor Bakar Torak Radial
Susunan  silinder  motor  bakar  torak  jenis  ini  posisi  silinder  radial  terhadap  poros  engkol seperti pada gambar 6.

## Gambar 6.  Motor Bakar Torak Radial. 10
Berdasarkan  jumlah  langkahnya  motor  bakar  torak  dapat  dikelompokan  menjadi  dua jenis  yaitu, motor 4 langkah dan motor 2 langkah. Pada motor 4 langkah, dalam satu siklus pembakaran  terdiri  dari  empat  kali  langkah  piston,  yaitu:  langkah  hisap,  langkah  kompresi, langkah kerja dan langkah buang. Sedangkan pada jenis motor 2 langkah, dalam satu siklus terdiri  dari  2  langkah,  yaitu  langkah  kompresi  dan  langkah  kerja  yang  sekaligus  merupakan langkah pembilasan (pembuangan dan pengisian).

## Prinsip Kerja Mesin Bensin
Dalam mesin bensin untuk mengubah bahan bakar menjadi tenaga,  campuran udara dan bensin  dihisap kedalam silinder dan kemudian dikompresikan oleh torak saat bergerak naik.  Bila  campuran  udara  dan  bensin  terbakar  dengan  adanya  api  dari  busi  yang  panas sekali, maka akan menghasilkan tekanan gas pembakaran yang besar di dalam silinder. Dari gerak lurus (naik-turun) torak dirubah menjadi gerak putar pada poros engkol melalui batang torak. Gerak putar inilah yang menghasilkan tenaga pada mesin.
Campuran  udara  dan  bensin  dihisap  ke  dalam  silinder  dan  gas  yang  telah  terbakar harus keluar, dan ini harus berlangsung secara tetap. Pekerjaan ini dilakukan dengan adanya gerakan  torak  yang  turun  naik  di  dalam  silinder.  Proses  menghisap    campuran  udara  dan bensin  ke  dalam  silinder,  mengkompresikan,  membakarnya  dan  mengeluarkan  gas  bekas dari silinder,disebut satu siklus.

## Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah
Prinsip kerja tersebut adalah : 8
 Langkah Hisap
Dalam  langkah  ini,  campuran  udara  dan  bensin  dihisap  ke  dalam  silinder.  Katup  hisap terbuka sedangkan katup buang tertutup.Waktu torak bergerak ke bawah, menyebabkan ruang silinder menjadi  vakum, masuknya campuran  udara dan  bensin ke dalam silinder disebabkan adanya tekanan udara luar (atmospheric pressure).
 Langkah Kompresi
Dalam  langkah  ini,  campuran  udara  dan  bensin  dikompresikan.  Katup  hisap  dan  katup buang  tertutup.  Waktu  torak  mulai  naik  dari  titik  mati  bawah  (TMB)  ke  titik  mati  atas (TMA)  campuran  yang  dihisap  tadi  dikompresikan.  Akibatnya  tekanan  dan  temperatur menjadi  naik,  sehingga  akan  mudah  terbakar.  Poros  engkol  berputar  satu  kali,  ketika torak mencapai TMA.
 Langkah Usaha / Kerja
Dalam  langkah  ini,  mesin  menghasilkan  tenaga  untuk menggerakan  kendaraan.  Sesaat sebelum  torak  mencapai  TMA  pada  saat  langkah  kompresi,  busi  memberi  loncatan  api pada  campuran  yang  telah  dikompresikan.  Dengan  terjadinya  pembakaran,  kekuatan
dari tekanan gas yang tinggi mendorong torak ke bawah. Usaha ini yang menjadi tenaga mesin (engine power)
 Langkah Buang
Dalam langkah ini, gas yang terbakar dibuang dari dalam silinder. Katup buang terbuka, torak bergerak dari TMB ke TMA , mendorong gas bekas keluar dari silinder. Ketika torak mencapai  TMA,  akan  mulai  bergerak  lagi  untuk  persiapan  berikutnya,  yaitu  langkah hisap.  Poros  engkol  telah  melakukan  2  putaran  penuh  dalam  1  siklus  terdiri  dari  4 langkah,  hisap,  kompresi,  usaha,  yang  merupakan  dasar  kerja  dari  pada  mesin  4 langkah.

## Gambar 7.  Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah
Keuntungan dan kerugian mesin 4 langkah :
 Keuntungan mesin 4 langkah
*   Putaran mesin dapat lebih tinggi
*   Bahan bakar tidak dapat dicampur dengan pelumas
*   Efisiensi termal lebih tinggi
*   Pemakaian bahan bakar lebih ekonomis
 Kerugian mesin 4 langkah
*  Tenaga terjadi di setiap kali putaran poros engkol.
*   Kontruksi lebih rumit karena adanya mekanis yang tertutup.
*   Perawatan lebih sulit karena adanya komponen-komponen yang memerlukan penyetelan.

## METODOLOGI PENELITIAN

## Data Mesin dan Komponen
Dalam  merencanakan  suatu  batang  torak  dibutuhkan  data –  data  mesin  yang  cukup banyak.  Data – data ini sesuai dengan spesifikasi motor yang digunakan. Dibawah ini akan dijelaskan  data –  data  pada  setiap  bagian  komponen  mesin  yang  akan  digunakan  dalam perencanaan atau sebagai pembanding hasil perencanaan. Data-data yang diperlukan adalah :
N    =  Daya maksimum = 8,3 Ps = 8,3 x 0,736 KW = 6108,8 watt n    =  Putaran poros engkol pada daya maksimum 8000 rpm = 8000 / 60 =133,33 rps ds   =  Diameter silinder = 49 mm = 0,049 m s     =  Panjang langkah (stroke) = 54 mm = 0,054 m z     =  Jumlah silinder = 1 a     =  Jumlah siklus per putaran = 1/2  (untuk motor 4 langkah) r     =  Jari-jari putaran poros engkol = 27 mm = 0,027 m θ    =  Sudut posisi penampang pada ujung kecil atau besar [ 0 ] L    =  Panjang batang torak yang diijinkan = 90,94 mm = 0,09094 m Ls  =  Panjang batang torak diantara permukaan bantalan =  69,44 mm = 0,06944 m Mp =  Massa torak = 130 gr = 0,13 kg Data ujung kecil : dg   =  Diameter pin torak = 15 mm = 0,015m θs   =  Sudut posisi penampang ujung kecil = 45 o b    =   Tinggi penampang ujung kecil = 2,16 mm = 0,00216 m h    =   Lebar penampang ujung kecil = 14 mm = 0,014 m d    =   Diameter lubang pelumas = 4 mm = 0,004 m Data ujung besar :
dc  =   Diameter pin poros engkol = 28 mm = 0,028 m θb  =   Sudut posisi penampang ujung besar = 90 o b1  =   Tinggi penampang ujung besar = 5,3 mm = 0,0053 m u1  =   Tebal ujung penampang ujung besar = 4 mm = 0,004 m h1  =   Lebar penampang ujung besar = 14 mm = 0,014 m Data sifat mekanis bahan :
Material : Baja / ST 7900 UTS    =  Tegangan maksimum bahan = 790 MPa σty      =  Kekuatan tarik luluh ( yield ) bahan = 560 MPa σcy     =  Tegangan tekan luluh bahan = 587 MPa E        =  Modulus young / elastisitas bahan = 207 GPa ρ         =  Massa jenis bahan = 7833 kg/m3
Gambar 9 Flow Chart Perencanaan
Mulai
Persiapan perencanaan
 Mencari data-data yang diperlukan

## Data mesin dan komponen
 Data spesifikasi motor yang digunakan  Data sifat mekanis bahan
 Data ujung kecil
 Data ujung besar
A

## Perencanaan
 Perencanaan awal
 Perencanaan bentuk batang (shank)
 Perencanaan bentukpenampang kecil
 Perencanaan bentuk penampang besar
Perhitungan
 Perhitungan gaya-gaya pada batang torak
 Perhitungan batang (shank)
 Perhitungan ujung kecil (small-end)
 Perhitungan ujung besar (big-end)
Selesai Kesimpulan Hasil Perhitungan

## ANALISA DAN PEMBAHASAN

## Perhitungan Gaya – Gaya
Perhitungan  yang  tidak  boleh  dilewatkan  dalam  merencanakan  suatu  batang  torak adalah  menghitung  tekanan  silinder  dan  gaya –  gaya  yang  ada  dibagian  batang  torak. Perhitungan ini dimulai dengan menghitung kecepatan sudut pada poros engkol.
Tabel 1 Perhitungan Gaya - Gaya
Perhitungan Gaya – Gaya No Perhitungan Hasil 1 Kecepatan sudut Poros Engkol 837,33 rad / s 2 Volume langkah Silinder 1,0177 x 10-4 m 3 3 Tekanan maksimum di dalam silinder 90040, 572 N / m 4 Gas pembakaran terhadap torak 16970, 71 N 5 Percepatan  yang  terjadi  pada  setiap  bagian komponen batang torak. * Percepatan ujung kecil pada TMA *Percepatan ujung besar pada TMA
* Percepatan ujung kecil pada TMB
* Percepatan ujung besar pada TMB 24575,768 m/s 18949,639 m/s 13323,509 m /s 18949, 639 m / s 6 Gaya inersia yang ada pada setiap komponen batang torak. * Gaya inersia di ujung kecil pada TMA
* Gaya inersia di batang pada TMA
*Gaya inersia di ujung besar pada TMA *Gaya inersia di ujung kecil pada TMB *Gaya inersia di batang pada TMB *Gayainersia di ujung besar pada TMB 3194,849 N 3964,29 N 5546,41 N 1732,05 N 2149,202 N 3731,324 N 7 Massa total batang torak 114 gr 8 Gaya  tekan  atau  kompresi  pada  tiap  bagian batang torak. * Gaya tekan pada ujung kecil * Gaya tekan pada batang * Gaya tekan pada ujung besar - 1497,964 N - 2267,36 N - 3849,48 N

## Perhitungan Bentuk Batang ( Shank )
Dalam  menentukan  bentuk  penampang  batang  perlu  ditentukan  dahulu  luas penampang  yang  mempunyai  satu  variabel  (t).  Bentuk  penampang  batang  yang  dirancang dapat dilihat dalam teori dasar di bagian sebelumnya. Momen inersia dari bentuk batang juga perlu dihitung yang mempunyai satu variabel juga.
Tabel 2 Perhitungan batang torak ( Shank )
Perhitungan batang No Perhitungan Hasil 1 Konstanta t 1,473 mm 2 Faktor keamanan beban tekuk kritis 7,6 ( aman ) Syarat ≥ 1,5
3 Tegangan tarik yang terjadi 135,47 Mpa 4 Faktor keamanan batang 2,8 ( aman ) Syarat ≥ 1,5
Perhitungan Bentuk Penampang Ujung Kecil ( Small – End )
Tabel 3 Perhitungan bentuk penampang ujung kecil
Perhitungan bentuk penampang ujung kecil No Perhitungan Hasil 1 Gaya yang terjadi pada ujung kecil 1344,405 N 2 Jarak  pin  torak  ke  sumbu  tengah  penampang ujung kecil 8,58 x 10-6 m 3 Momen  yang  terjadi  pada  bagian  penampang ujung kecil 0,61482 Nm 4 Jarak  dari  sumbu  netral  ke  serat  terluar  ujung kecil 1,0345 x 10-3 m 5 Jari –jari lingkaran terluar ujung kecil 7,5 x 10-3 m 6 Tegangan maksimum 200 Mpa 7 Faktor keaman ujung kecil 1,98 ( aman ) Syarat ≥ 1,6
Perhitungan Bentuk Penampang Ujung Besar ( Big – End )

## Tabel 4 Perhitungan bentuk penampang ujung besar
Perhitungan bentuk penampang ujung besar No Perhitungan Hasil 1 Gaya yang terjadi pada ujung besar 2817,576 N 2 Jarak  dari  sumbu  poros  ke  sumbu  tengah penampang ujung besar 16,3401 x 10-3 m 3 Momen  yang  terjadi  pada  bagian  penampang ujung besar 1,34583 Nm 4 Luas minimum penampang ujung besar 65,1 x 10-6 m2 5 Jari – jari lingkaran sumbu netral ujung besar 16,22549 x 10-3 m 6 Eksentrisitas  sumbu  netral  penampang  ujung besar 0,1146 x 10-3 m 7 Jarak dari sumbu netral ke serat terluar ujung besar 2,22549 x 10-3 m 8 Jari – jari lingkaran terluar ujung besar 14 x 10 -3 m 9 Tegangan maksimum 72 MPa 10 Faktor keaman ujung besar 5,48 ( aman ) Syarat ≥ 1,6

## KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan pada perencanaan batang torak motor bensin 4 langkah 100 cc, didapat hasil  sebagai berikut :
1)  Panjang batang torak = 90,94 mm 2)  Ukuran penampang batang
B = 5,89 mm D = 10,31 mm H = 6,62 mm
L = 4,41 mm
T = 2,50 mm
M = 9,57 mm
y x D M T x H L t y B
Gambar 10  Bentuk penampang batang ( shank )
3)  Ukuran ujung kecil Diameter dalam = 15 mm
b = 2,16 mm h = 14 mm
d = 4 mm r c b c o c i n h e r n r c d
Gambar 11  Penampang Ujung Kecil ( small end ).9
4)  Ukuran ujung besar Diameter dalam = 28 mm b1 = 5,3 mm
u1 = 4 mm
h1 = 14mm
r n1 h 1 r i1 r c1 e 1 u 1 c 01 c i1 b 1 r 01
Gambar 12 Penampang ujung besar ( big – end ).9
5)  Faktor  keamanan  yang  tinggi  sangat  diperlukan  pada  batang  torak  karena  beban  yang ada pada batang torak besar dan dinamis. Faktor keamanan pada bagian batang sangat besar untuk menghindari tekuk (buckling), kelelahan (fatique).
SARAN
Untuk  mendapatkan  suatu  hasil  perencanaan  yang  baik  dimasa-  masa  yang  akan datang, oleh karena itu saya akan memberikan saran pada semua pihak yang bersangkutan dalam proses pengerjaan tugas akhir ini :
1)  Perencanaan ini akan lebih baik jika dilakukan dengan analisis yang lengkap, oleh karena itu  diperlukan pengujian  kelelahan (fatique) komponen, untuk memperoleh pembebanan yang bervariasi.
2)    Untuk  menggunakan  metoda  perencanaan    yang  sangat  medasar  dalam  teknik  mesin perlu adanya kuliah perencanaan mesin ( khususnya peminatan kontruksi mesin ).
3)  Untuk  mengetahui  terjadinya  tekuk  (buckling)  pada  batang  maka  diperlukan    suatu pengecekan,  biasanya  faktor  keamanan  pada  batang  itu  cukup  besar  karena  tidak  ada sirkulasi minyak pelumas.

## DAFTAR PUSTAKA
1.  Arkhangelsky, Khovakh, Stepanov, Trusov, Vikhert, Voinov, Motor Vehicle Engines , Edisi Terjemahan, Penerbit MIR Publishers, Moscow, 1979
2.  Daryanto, Motor Bensin Pada Mobil , CV.Yrama Widya, Malang, 2003.
3.  Hall, Holowenko, Laughlin, Theory and Problem Of Machine Design , Penerbit Mc Graw- Hill Company, Edisi SI (metrik), Singapura, 1982
4.  Heinz Grohe, Otto-Und Dieselmotoren , Penerbit Vogel-verlag 5.  Lingaiah, K, Machine Design Data Handbook , Mc Graw – Hill, 1994 6.  Mallev, V. L, Internal Combustion Engine , Penerbit Mc Graw-Hill Company, Edisi II, 1979 7.  Petrovsky, N, Marine Internal Combustion Engines , Terjemahan dari Bahasa Rusia oleh Horace E. Isakton, Mir Publisers, Moscow
8.  PT. Toyota Astra Motor, New Step 1 Training Manual , Jakarta,   1996
9.  Reaney  ,D,  Ricardo, Classical  Design  Analysis  Connecting  Rod ,  Penerbit  Ricardo Consulting Engineers Ltd, England, 1995
10.  Wiranto  Arismunandar, Penggerak  Mula  Motor  Bakar  Torak ,  Edisi  IV,      Penerbit  ITB, Bandung, 1988