Ringkasan (Nota Pengajian Kejuruteraan Mekanikal Tingkatan 5 Bab 2:)

Dokumen ini merangkumi empat bidang utama dalam kejuruteraan mekanikal dan automasi: komponen mekanikal, komponen elektrik, sistem hidraulik, sistem pneumatik, dan sistem robotik asas. Setiap sistem mempunyai komponen, prinsip operasi, dan aplikasi yang unik untuk melaksanakan pelbagai fungsi dalam industri dan kehidupan seharian.

1. Komponen Mekanikal

Sistem elektromekanikal bergantung pada komponen mekanikal untuk memindahkan kuasa dan gerakan. Komponen utama termasuk:

• Takal dan Tali Sawat: Digunakan untuk menghantar kuasa, mengubah arah putaran aci, dan menukar kelajuan. Kelajuan boleh diubah dengan menggunakan takal berdiameter berbeza; takal dipacu yang lebih kecil menghasilkan kelajuan tinggi dan daya kilas rendah, manakala takal dipacu yang lebih besar menghasilkan kelajuan rendah dan daya kilas tinggi. Terdapat pelbagai jenis tali sawat (rata, V, segerak, bulat) dan susunan pacuan (terbuka, bersilang, majmuk).

• Gear: Komponen bergigi yang bersirat untuk memindahkan kuasa putaran, mengubah kelajuan, dan mengubah arah pusingan. Jenis-jenis gear termasuk gear taji (paksi selari), gear heliks (lebih senyap dan kuat), gear serong (paksi bersilang), dan gear rak dan pinan (menukar gerakan putaran kepada linear atau sebaliknya).

• Pegas (Spring): Komponen anjal yang berfungsi untuk menyerap hentakan dan mengembalikan sesuatu kepada kedudukan asalnya. Dalam sistem elektromekanikal, ia lazimnya digunakan dalam komponen seperti solenoid untuk mengawal pergerakan pelocok.

2. Komponen Elektrik

Komponen elektrik adalah peranti asas dalam sistem mekanikal yang menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal atau mengawal aliran arus. Komponen utamanya ialah:

• Bekalan Kuasa: Peranti yang membekalkan kuasa elektrik. Proses ini melibatkan tiga peringkat: penjanaan (di stesen jana kuasa), penghantaran, dan pengagihan.

• Suis: Alat mekanikal untuk menyambung dan memutuskan arus dalam litar. Tiga jenis utama ialah suis togel (panel kawalan), suis tekan buka (lampu peti sejuk), dan suis tekan tutup (loceng rumah).

• Motor: Mesin yang menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal (putaran). Terdapat dua jenis utama: Motor Arus Terus (AT) yang menggunakan bekalan bateri dan biasa ditemui dalam alatan mudah alih, dan Motor Arus Ulang-alik (AU) yang digunakan secara meluas dalam peralatan domestik dan industri.

• Penyambung dan Wayar: Penyambung (palam dan bicu) digunakan untuk menggabungkan atau memutuskan bahagian litar. Wayar pula mengalirkan arus, dengan kod warna piawai: Coklat/Merah (Hidup), Biru/Hitam (Neutral), dan Hijau/Kuning (Bumi).

• Penukar Arus: Peranti yang mengubah ciri arus elektrik. Ini termasuk Pengubah (Transformer) yang menaikkan atau menurunkan voltan AU, Penerus (Rectifier) yang menukar AU kepada AT, dan Penyongsang (Inverter) yang menukar AT kepada AU.

3. Sistem Hidraulik

Sistem hidraulik menggunakan cecair bertekanan tinggi (biasanya minyak) sebagai medium untuk memindahkan kuasa. Ia sangat berkesan untuk kerja berat.

• Prinsip Asas: Beroperasi berdasarkan Hukum Pascal, yang menyatakan bahawa tekanan dalam cecair tertutup adalah seragam ke semua arah (P = F/A). Ini membolehkan daya kecil pada omboh kecil menghasilkan daya yang besar pada omboh besar.

• Komponen Utama:

    ◦ Tangki: Menyimpan cecair hidraulik.

    ◦ Pam: Menjanakan aliran cecair bertekanan.

    ◦ Injap: Mengawal sistem. Termasuk injap kawalan berarah (mengarahkan aliran), injap pelega (menghadkan tekanan maksimum), dan injap kawalan aliran (mengawal kelajuan penggerak).

    ◦ Silinder (Penggerak): Menukarkan tenaga tekanan cecair kepada gerakan linear untuk melakukan kerja.

    ◦ Penapis: Menapis bendasing daripada cecair hidraulik.

• Aplikasi: Digunakan secara meluas dalam jentera berat seperti jengkaut, kren, mesin tekan, serta dalam sistem automotif seperti brek dan stereng kuasa.

4. Sistem Pneumatik

Sistem pneumatik berfungsi sama seperti sistem hidraulik tetapi menggunakan udara termampat sebagai medium pemindahan kuasa. Ia sesuai untuk kerja yang lebih ringan dan memerlukan kelajuan.

• Prinsip Asas: Menggunakan udara yang dimampatkan untuk menghasilkan daya (F = P × A). Udara mudah didapati, bersih, dan sistemnya mudah diselenggara.

• Komponen Utama:

    ◦ Pemampat: Menyedut udara atmosfera dan memampatkannya ke tekanan tinggi.

    ◦ Penerima (Tangki Udara): Menyimpan udara termampat.

    ◦ Unit Servis: Terdiri daripada penapis (membuang bendasing), pengatur tekanan (melaras tekanan kerja), dan alat pelincir (melincirkan komponen bergerak).

    ◦ Injap: Mengawal arah dan aliran udara.

    ◦ Silinder (Penggerak): Menukar tenaga udara termampat kepada gerakan linear.

• Aplikasi: Digunakan dalam automasi industri, robotik, mesin pembungkusan, dan peralatan yang memerlukan gerakan pantas dan ringan.

5. Sistem Robotik Asas

Robotik ialah bidang sains yang berkaitan dengan reka bentuk, pembuatan, dan penggunaan robot. Robot ialah unit mekanikal yang boleh diprogramkan untuk membantu manusia melakukan pelbagai tugas, terutamanya kerja yang berbahaya, berulang-ulang, atau memerlukan kejituan tinggi.

• Elemen Utama:

    ◦ Elemen Kawalan: “Otak” robot yang memproses arahan. Sistem kawalan termasuk Kawalan Pandu Terus, Kawalan Gerak Terus, dan Kawalan Logik Boleh Atur Cara (PLC).

    ◦ Elemen Bekalan Kuasa: Sumber tenaga yang boleh jadi elektrik (motor AT/AU), hidraulik (untuk daya tinggi), atau pneumatik (untuk gerakan pantas).

    ◦ Elemen Pergerakan (Manipulator): “Badan” dan “lengan” robot yang melakukan gerakan. Jenis pergerakan termasuk segi empat tepat (kartesian), silinder, polar, SCARA, dan pergelangan tangan.

    ◦ Elemen Penderia (Sensor): Membolehkan robot berinteraksi dengan persekitaran. Jenis penderia termasuk penderia sentuh, penderia penglihatan (kamera), dan penderia suap balik elektronik (mengesan kehadiran objek).

• Aplikasi Industri: Digunakan secara meluas untuk kerja-kerja seperti kimpalan, pengecatan, pemasangan komponen, dan pengendalian bahan dalam barisan pengeluaran automatik.

Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)

1. Sebuah kilang pembuatan kereta ingin mengautomasikan proses pemasangan, khususnya untuk kerja kimpalan dan pengecatan. Berdasarkan maklumat yang diberikan, jenis pergerakan robotik manakah yang paling sesuai untuk tugasan ini dan mengapa? Jelaskan kelebihannya. Jawapan: Jenis pergerakan robotik yang paling sesuai untuk kerja mengimpal dan mengecat badan kereta ialah pergerakan berbentuk pergelangan tangan. Ini kerana tatarajahnya (jenis sendi RRR) membolehkan tangan robot bergerak pada tiga paksi revolut, meniru pergerakan pergelangan tangan manusia. Kawasan kerja manipulator ini berbentuk sfera, membolehkannya mencapai objek yang berada di atas dan di bawahnya tanpa halangan. Kelebihan utamanya ialah fleksibiliti pergerakan yang tinggi, membolehkan robot mengakses sudut-sudut yang kompleks pada badan kereta dengan lancar, memastikan hasil kimpalan dan semburan cat yang sekata dan tepat.

2. Huraikan proses lengkap bagaimana tenaga elektrik yang dijana daripada gas asli di Malaysia sampai ke sebuah premis perniagaan. Nyatakan sistem-sistem utama yang terlibat dan jelaskan kepentingan Grid Nasional dalam proses ini. Jawapan: Proses bekalan kuasa di Malaysia melibatkan tiga peringkat utama:

1. Sistem Penjanaan: Gas asli yang diperoleh dari perairan Pantai Timur Semenanjung Malaysia dihantar melalui saluran paip ke loji penjanaan gas. Di sini, tenaga elektrik dihasilkan.

2. Sistem Penghantaran: Tenaga elektrik yang telah dijana kemudian disalurkan menerusi Grid Nasional. Grid Nasional adalah jaringan talian penghantar elektrik yang menghubungkan semua stesen janakuasa dengan pengguna di seluruh Semenanjung Malaysia. Kepentingan Grid Nasional adalah untuk memastikan bekalan elektrik yang stabil dan boleh dipercayai; jika satu stesen janakuasa mengalami gangguan, stesen lain dalam jaringan boleh menampung kekurangan tersebut.

3. Sistem Pengagihan: Akhir sekali, bekalan elektrik daripada Grid Nasional diagihkan melalui pencawang-pencawang kepada pengguna akhir seperti kediaman dan premis perniagaan.

3. Anda perlu menghidupkan sebuah peranti elektronik yang memerlukan bekalan kuasa 5V AT, tetapi sumber kuasa yang ada hanyalah soket dinding 240V AU. Terangkan urutan komponen penukar yang diperlukan untuk mengendalikan peranti tersebut dengan selamat dan jelaskan fungsi setiap komponen. Jawapan: Untuk menukar 240V AU kepada 5V AT, urutan komponen berikut diperlukan:

1. Pengubah (Transformer): Komponen pertama ialah pengubah injak turun. Ia berfungsi untuk menurunkan voltan AU yang tinggi (240V) kepada voltan AU yang lebih rendah, contohnya sedikit melebihi 5V untuk menampung kehilangan voltan semasa proses seterusnya.

2. Penerus (Rectifier): Selepas voltan diturunkan, litar penerus diperlukan. Fungsi penerus adalah untuk menukarkan voltan ulang-alik (AU) yang telah diturunkan kepada voltan arus terus (AT) yang berdenyut.

3. Pengatur Voltan (Voltage Regulator): Komponen terakhir ialah pengatur voltan seperti L7805. Ia akan mengambil input AT yang berdenyut dari penerus dan menghasilkan output voltan AT yang stabil dan tepat pada 5V, yang selamat untuk digunakan oleh peranti elektronik tersebut.

4. Bincangkan kebaikan dan keburukan penggunaan teknologi inverter dalam pendingin hawa berbanding model konvensional. Fokus kepada prinsip operasi dan kecekapan tenaga. Jawapan:

• Prinsip Operasi: Pendingin hawa konvensional beroperasi dengan menghidupkan pemampat pada kelajuan maksimum sehingga suhu yang ditetapkan tercapai, kemudian mematikannya sepenuhnya. Proses on-off ini berulang. Sebaliknya, pendingin hawa berteknologi inverter mengawal kelajuan motor pemampat secara berterusan. Ia berjalan pada kelajuan maksimum pada mulanya dan kemudian memperlahankan kelajuan pemampat apabila suhu bilik hampir dicapai, sentiasa berjalan pada kelajuan yang berbeza-beza untuk mengekalkan suhu malar.

• Kecekapan Tenaga: Teknologi inverter adalah lebih cekap tenaga. Ini kerana ia mengelakkan lonjakan penggunaan tenaga yang berlaku setiap kali pemampat konvensional dihidupkan semula dari keadaan off. Dengan melaraskan kelajuan secara berterusan, ia menggunakan elektrik secara efisien, yang membawa kepada bil elektrik yang lebih rendah.

• Kebaikan Inverter: Menjimatkan elektrik, operasi lebih senyap, dan mengekalkan suhu bilik dengan lebih stabil.

• Keburukan (Tidak dinyatakan tetapi boleh disimpulkan): Teknologi inverter mungkin melibatkan kos pembelian awal yang lebih tinggi disebabkan oleh kerumitan sistem kawalannya.

5. Seseorang individu terkena renjatan elektrik daripada arus ulang-alik bernilai 150mA. Berdasarkan maklumat keselamatan, huraikan kesan fisiologi yang berlaku pada badan mangsa dan senaraikan sekurang-kurangnya lima langkah keselamatan yang boleh diamalkan untuk mengelakkan kemalangan sedemikian. Jawapan:

• Kesan Fisiologi: Arus bernilai antara 100mA hingga 200mA akan menyebabkan fibrilasi otot ventrikal. Ini adalah keadaan genting di mana otot jantung bergetar secara tidak teratur dan tidak dapat mengepam darah dengan berkesan, yang boleh mengakibatkan kematian.

• Langkah Keselamatan: Lima langkah keselamatan untuk mengelakkan kemalangan elektrik ialah:

    1. Pembumian: Memastikan setiap peralatan elektrik, terutamanya yang berbadan logam, dibumikan dengan betul supaya arus bocor dapat dialirkan ke bumi.

    2. Pelindung Litar: Menggunakan fius dan pemutus litar yang berfungsi untuk memutuskan bekalan elektrik secara automatik apabila berlaku lebihan arus.

    3. Penebatan: Memastikan sistem pendawaian dan peralatan elektrik mempunyai penebatan yang sempurna untuk mengelakkan sentuhan langsung dengan pengalir hidup.

    4. Penyelenggaraan: Menetapkan jadual penyelenggaraan berkala untuk memeriksa keadaan wayar dan peralatan elektrik bagi mengesan sebarang kerosakan.

    5. Peralatan Perlindungan Diri (PPE): Menggunakan PPE yang sesuai seperti sarung tangan penebat apabila melakukan kerja-kerja yang berkaitan dengan elektrik.

Soalan Lazim (FAQ)

1. Apakah jenis-jenis motor elektrik utama dan dari mana sumber kuasanya? Terdapat dua jenis motor elektrik utama: Motor Arus Terus (AT) dan Motor Arus Ulang-alik (AU). Motor AT menggunakan bekalan kuasa AT seperti bateri sebagai puncanya. Motor AU pula terdiri daripada motor fasa tunggal yang menggunakan bekalan 240V AU dan motor tiga fasa yang menggunakan bekalan 415V AU.

2. Apakah fungsi bagi setiap wayar berwarna dalam sistem pendawaian elektrik? Sistem pendawaian menggunakan kod warna untuk membezakan fungsi setiap wayar:

• Wayar Hidup (Merah/Coklat): Membawa arus ulang-alik dari punca kuasa kepada beban (peralatan elektrik).

• Wayar Neutral (Biru/Hitam): Mengembalikan arus elektrik ke punca kuasa, melengkapkan litar.

• Wayar Bumi (Hijau/Hijau berjalur Kuning): Berfungsi sebagai laluan keselamatan untuk mengalirkan arus bocor ke bumi jika berlaku kegagalan penebat, terutamanya pada peralatan berbadan logam.

3. Apakah perbezaan utama antara Arus Ulang-alik (AU) dan Arus Terus (AT)? Perbezaan utama terletak pada arah aliran dan ciri-cirinya:

• Arus Ulang-alik (AU): Arus yang arah alirannya sentiasa berulang-alik (nilai positif dan negatif). Ia mempunyai frekuensi dan biasanya digunakan untuk aplikasi berkuasa besar dan sistem grid elektrik.

• Arus Terus (AT): Arus yang mengalir dalam satu arah sahaja dengan magnitud yang tetap. Ia tidak mempunyai frekuensi dan sumber utamanya ialah bateri atau sel kering.

4. Apakah definisi robot dan apakah kegunaan utamanya dalam industri? Menurut Robot Institute of America, robot ialah manipulator yang boleh diprogram semula untuk memindahkan alat, bahan, atau peralatan melalui pergerakan yang diprogramkan. Dalam industri, robot sangat penting kerana ia boleh melakukan kerja sukar yang mengatasi keupayaan manusia seperti mengangkat bahan berat, mengimpal dan mengecat badan kereta, serta memasang komponen elektronik. Robot juga mampu melakukan kerja berulang tanpa henti dengan kejituan yang tinggi.

5. Apakah tiga jenis penukar elektrik dan apakah fungsi setiap satunya? Tiga jenis penukar elektrik utama ialah:

• Pengubah (Transformer): Berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan voltan masukan AU kepada nilai voltan AU yang dikehendaki.

• Penerus (Rectifier): Berfungsi untuk menukarkan voltan ulang-alik (AU) kepada voltan arus terus (AT).

• Penyongsang (Inverter): Berfungsi untuk menukarkan voltan arus terus (AT) kepada voltan ulang-alik (AU).