DESAIN DAN SIMULASI KENEMATIKA PADA SISTEM KEMUDI DENGAN SUDUT 90 o

Transkripsi

1 DESAIN DAN SIMULASI KENEMATIKA PADA SISTEM KEMUDI DENGAN SUDUT 90 o Agus Dwi Anggono 1), Joko Sedyono 2) Bana Handaga 3) 1,2 Jurusan Teknik Mesin, 3 Teknik Informatika Universitas Muhammadiyah Surakarta agus.d.anggono@ums.ac.id Abstract The aim of the research is to design a 90 degrees steering mechanism system for multi porpose vehicle. The application of the steering system can be implemented for many types of car. The advantage of the systems is flexibility in movement. Therefore, the vehicle has high degree of moving in any direction. The mechanism was designed in 2D and 3D model. Then, the component was joined in assembly and kinematic simulation by using CATIA. Clash detection of each components has carried out in assembly workbench of CATIA. The results in this work helps the automotive industries to develop a real 90 degree steering systems. All components have completely design in 3D solid by using CATIA. From the product assembly, the clash between parts have eliminated by part editing. In the final assembly, there were not clash detected. Keywords: Steering systems, 4 wheel steering, CAD, Assembly Design, Kinematic Design PENDAHULUAN Kendaraan roda empat atau mobil penumpang menjadi moda transportasi yang paling diminati di Indonesia. Setiap kendaraan memiliki unit pengendali berupa sistem kemudi. Sistem kemudi menggerakkan roda depan dengan sudut tertentu untuk mengatur dan mengendalikan arah kendaraan. Sistem kemudi empat roda dikembangkan pada kendaraan-kendaraan kelas atas. Sistem tersebut dibangun untuk mengimbangi efek roling pada roda belakang, sehingga pada saat belok dengan kecepatan tinggi lebih stabil. Pada sistem kemudi empat roda, sudut belok roda belakang cenderung lebih kecil dibandingakan dengan roda depan, maksimal berkisar derajat(khristamto et al. 2015). Persyaratan sistem kemudi adalah memiliki kemampuan manuver yang baik. Sistem kemudi harus mampu membelokan roda kendaraan dengan tajam, mudah dan halus. Sistem kemudi juga dibuat ringan pada kecepatan rendah dan menjadi berat pada kecepatan tinggi. Bagian-bagian sistem kemudi diantaranya adalah roda kemudi, steering clums, steering gear yang berfungsi untuk mengubah rotasi pembelokan menjadi gerak translasi untuk membelokan roda. Sistem kemudi ada dua macam, yaitu rack and pinion dan tipe recirculatingball(balachandran & Gerdes 2013; Khristamto et al. 2015). Tipe rack and pinion memiliki konstruksi pinion yang terhubung dengan rack. Pada saat pinion berotasi akan menggerakkan rack bertranslasi kekiri dan kekanan. Konstruksi tipe ini lebih sederhana dan ringan karena gear box yang kecil. Respon steering sangat tajam karena gigi-gigi memiliki hubungan langsung. Perakitan roda steering tertutup sehingga bebas perawatan. Steering tipe recirculating-ball memiliki konstruksi yang lebih rumit. Poros kemudi berbentuk spiral yang terdapat bola-bola yang bersirkulasi pada saat kemudi diputar. Karena menggunakan bola-bola maka gesekan yang terjadi sangat kecil. Konstruksi ini mampu menahan beban yang besar dan memiliki sudut operasi yang besar. Sekarang ini kendaraan-kendaraan pribadi memiliki ban-ban yang lebar dan tekanan rendah untuk menambah kenyamanan dan menambah bidang kontak dengan jalan. Namun hal itu mengakibatkan usaha yang dilakukan stir menjadi lebih besar. Tenaga steering dapat diturunkan dengan menurunkan THE 5 TH URECOL PROCEEDING 223 ISBN

2 Universty Research Coloquium 2017 ISSN XX-XX rasio roda gigi pada steering gear. Untuk menurunkan usaha dalam membelokan roda maka ditambahkan alat yang disebut sebagai power steering baik yang bertipe hidrolik maupun elektrik. Pada penelitian ini dibuat desain sistem kemudi untuk 4 roda yaitu roda depan dan belakang. Gambar 1 menunjukkan mekanisme kemudi 2 roda depan dengan sudut maksimal 45 o. Besaran sudut putar bervariasi antara kendaran satu dengan yang lain, namu berkisar o. Gambar 2. Sistem kemudi empat roda dengan sudut maksimal 90 o. Sudut putar pertama maksimal 45 o pada sambungan 1. Sudut putar kedua maksimal 45 o pada sambungan 2. Gambar 1. Sistem kemudi pada roda depan dengan sudut maksima 45 o. Sistem kemudi 4 roda ditunjukkan pada Gambar 2. Dimana pada penelitian ini didesain sampai dengan 90 o sudut putar roda kendaraan. Sehingga pada sudut maksimal tersebut, kendaraan dapat bergerak ke samping.desain yang diusulkan pada penelitian ini adalah dengan membagi total sudut 90 o menjadi dua bagian. Bagian pertama dengan sudut maksimal 45 o yang dibelokan pada sambungan pertama. Sudut kedua diperoleh dari sambungan kedua dengan sudut maksimal 45 o, sehingga total menjadi 90 o. Perkembangan teknologi Computer Aided Design (CAD) semakin maju, sehingga memungkinkan membuat desain yang rumit. Simulasi dan analisis kekuatan suatu struktur dan asembly dapat dilakukan dengan teknologi Computer Aided Engineering (CAE) baik statik, dinamik, thermal maupun fluida. Metoda Finite Element Analysis (FEA) telah terbukti efisien dalam melakukan analisis secara firtual terhadap kekuatan material(anggono & Riyadi 2014; Widodo & Riyadi 2014). KONSEP DASAR KEMUDI 4 RODA Melakukan desain atau perubahan sudut kemudi sampai pada 90 o merupakan perubahan drastis dan besar. Sebagaimana terlihat dalam Gambar 2, kendaraan dapat bergerak secara ekstrim, yaitu menyamping. Hal ini membutuhkan perubahan sudut yang besar pada mekanisme steering. Berdasarkan sistem geometri Ackerman, sudut kemudi ditentukan oleh sudut antara sumbu longitudinal kendaraan terhadap bidang pusat dua roda depan seperti yang digambarkan pada Gambar 3. Kebutuhan sudut 90 o pada mekanisme kemudi dapat menggunakan penguat sudut antara poros mekanis dengan roda seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4. Biasanya sistem kemudi hanya memiliki sudut maksimal dan minimal +30 dan -30 derajat saja. Sehingga sudut θ VA kemudi menjadi: θ VA = arctan ( 2 tan θ i tan θ e tan θ i + tan θ e ) (1) Geometri Ackerman : θ ea = arctan (L B ) tan θ i ( L B )+ tan θ i Posisi kendaraan bergerak lurus: (2) c x0 = Z 0 b sin γ (3) THE 5 TH URECOL PROCEEDING 224 ISBN

3 c y0 = e + b cos γ h (4) c = (c x0 ) 2 + (c y0 ) 2 (5) Posisi kendaraan berbelok: Mekanisme bagian dalam dengan mempertimbangkan sudut θi : β i = θ i R a (6) i = γ β i (7) b xi = b sin i (8) b yi = b cos i (9) c xi = Z 0 e x b xi (10) c yi = h + e y + b yi (11) c 2 = c 2 2 xi + c yi (12) Gambar 3. Sudut kemudi pada geometri Ackerman e y 2 = e 2 e x 2 (13) Dengan menguadratkan persamaan (10) dan (11), kemudian mensubstitusikan persamaan (12) dan (13) maka akan menghasilkan persamaan kuarat dalam koefisien e x : A i = ( b 2 xi z o ) + 1 (14) b yi h B i = (b xi z 0 ){e 2 c 2 +(b xi z 0 ) 2 +(b yi h) 2 } (b yi h) 2 (15) C i = { e2 c 2 +(b xi z 0 ) 2 +(b yi h) 2 } e 2 (16) 2(b yi h) e x = B i B 2 i 4A i C i (17) 2A i ψ i = arccos ( c yi c ) (16) Sudut transmisi kemudi: μ i = φ i + ψ i (16) Dimana μ i adalah sudut minimum yang harus dihindari. Gambar 4. Skema mekanisme kemudi METODE Penelitian ini menggunakan CATIA V5 untuk melakukan desain 3D dengan bentuk pejal atau solid model. Dimensi komponen kemudi diperoleh dengan mengukur komponen sebenarnya sebagai acuan dalam melakukan desain dan perubahan. Setiap komponen digambar secara terpisah dalam satu fail. Setelah semua komponen dibuat dalam bentuk solid 3D maka langkah berikutnya dalah membuat komponen gabungan atau assembly. Proses pembuatan gambar gabungan menggunakan fasilitas Assembly Design di CATIA V5. Sebelum dijadikan dalam satu kesatuan assembly, beberapa komponen ada yang digabung terlebih dahulu, hal ini disebut sebagai sub gabungan. THE 5 TH URECOL PROCEEDING 225 ISBN

4 Universty Research Coloquium 2017 ISSN XX-XX Mulai Pengukuran Gambar Sket didapatkan desain mekanisme kemudi yang secara simulasi dapat bekerja dengan maksimal tanpa terjadi tabrakan. Gabungan utaman Apakah terjadi tabrakan? Tidak Model akhir Ya Sub gabungan Selesai Gambar 5. Diagram alir penelitian Desain 3D solid Sebagaimana yang digambarkan pada diagram alir penelitian, setelah gabungan utama selesai maka dilakukan analisis tabrakan antar komponen. Analisis tabrakan atau clash analysis merupakan salah satu metoda untuk mendeteksi suatu desain dalam assembly, apakah dimensinya sesuai dengan pasangannya. Apabila dimensi tidak sesuai maka dalam clash analysis akan memberikan suatu nilai. Sebagai contoh adalah poros dan lubang. Apabila jenis suaian yang digunakan adalah suaian pas, maka antara poros dan lubang tidak ada jarak sama sekali. Clash analysis di bagian assembly dilakukan pada kondisi diam atau statis. Sedangkan analisis pada keadaan bergerak dilakukan pada Kinematic Analysis. Analisis tersebut dilakukan dengan menggerakkan komponenkomponen yang semestinya bergerak sehingga dapat diketahui apakah gerakan tersebut akan menabrak komponen yang lain atau tidak. Analisis tabrakan antar komponen memberikan keuntungan yaitu menghindari kesalahan desain. Apabila dalam analisis tersebut terjadi tabrakan, maka perubahan komponen kembali dilakukan pada tahapan desain 3D. Perubahan desain akan terus dilakukan sampai tidak ada tabrakan antar komponen yang terdeteksi, baik pada saat assembly maupun kinematik. Sehingga HASIL DAN PEMBAHASAN Sebagaimana yang digambarkan pada skema Gambar 2, bahwa mekanisme kemudi dengan sudut maksimal 90 derajat akan dibagi menjadi dua bagian sehingga masing-masing memiliki sudut sebesar 45 o. Dari skema tersebut maka mekanisme memiliki dua titik sambungan yang membagi menjadi 45 o. Pada mekanisme kemudi 90 o, hal yang paling penting untuk diperhatikan adalah poros penerus putaran. Poros tersebut juga harus bisa membentuk sudut 90 o. Komponen yang meneruskan putaran ke roda itu disebut dengan CV (Constant Velocity) joint. Sambungan tersebut artinya tidak ada perbedaan kecepatan setelah membentuk sudut. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, hasil penggabungan komponen CV join. Sambungan tersebut dianalisis pada kondisi tergabung dan analisis gerak kinematika. Gambar 6 memberikan gambaran berbagai posisi sambungan CV. Pada posisi kendaraan bergerak lurus, sambungan CV seperti pada Gambar 6a, yaitu lurus tanpa membentuk sudut. Gambar 6b dan 6c adalah posisi kendaraan atau roda berbelok dengan sudut 45 o. Komponen yang bekerja adalah pada lengan terluar, dimana sambungan CV berupa bola-bola. Setelah sudut maksimal yang pertama tercapai, maka apabila dilanjutkan proses pemutaran kemudi, maka lengan atau poros kedua yang bekerja dengan sudut maksimal 45 o, seperti yang digambarkan pada Gambar 6d dan 6e untuk posisi sebaliknya. THE 5 TH URECOL PROCEEDING 226 ISBN

5 (c) knuckle dan suspensi, dapat dilihat pada Gambar 7. Pada gambar tersebut juga dilakukan simulasi dan analisis tabrakan dalam upaya menentukan bentuk komponen yang sesuai. Simulasi dilakukan pada pembentukan sudut 45 o dan 90 o. (d) (e) Gambar 6. Sambungan kecepatan konstan. Gambar 6 adalah salah satu contoh gabungan kecil atau sub assembly pada desain sistem kemudi. Sub assembly tersebut kemudian digabungkan dengan komponen yang lain seperti rumah suspensi atau knuckle dan suspensi, seperti yang ditampilkan pada Gambar 7. Gerakan yang telah disimulasikan sebelumnya pada gabungan CV joint, setelah digabungkan dengan komponen lain akan memiliki derajat kebebasan yang berbeda dengan sebelumnya. Karena derajat kebebasan yang berubah maka simulasi kembali diatur dari awal dengan jumlah derajat kebebasan yang baru. Kelebihan penggabungan dengan sub assembly adalah untuk meminimalkan kesalahan yang mungkin terjadi. Kesalahan simulasi banyak disebabkan karena kesalahan pemilihan constraint atau kondisi batas dari hubungan antar komponen. Gabungan antara sub assembly dengan komponen yang lain untuk menjadi gubungan yang lebih besar, misalnya antara CV joint, THE 5 TH URECOL PROCEEDING 227 ISBN

6 Universty Research Coloquium 2017 ISSN XX-XX Gambar 8 memberikan gambaran proses pengecekan antar komponen dalam suatu assembly atau gabungan. Gambar 8 adalah daftar komponen yang telah dibuat dalam gabungan. Pengecekan kondisi komponen dengan cara memilih dalam daftar untuk melihat tampilan komponen tersebut, yang digambarkan pada Gambar 8. Dari tabel terlihat status hubungan antar komponen, misalnya contact atau clash dan ditampilkan juga nilainya. Apabila terjadi clash, maka komponen tersebut dapat diubah sesuai nilai yang tampil. Sehingga jarak antar keduanya sesuai dengan jenis kondisi yang dipakai. (c) (d) Gambar 7. Gabungan antara CV joint, knuckle dan suspensi. Gambar 7 dan memberikan gambaran pada posisi belok dengan sudut 45 o. Pengecekan tabrakan komponen dilakukan pada setiap pembentukan sudut secara simultan. Arti bahwa selama membentuk sudut dari 0-45 o dilakukan pengecekan tabrakan antar komponen. Selain membentuk sudut, CV joint juga dalam keadaan berputar yang merupakan penggambaran kendaraan sedang berjalan. Dengan cara yang sama dilakukan juga pada saat pembentukan sudut dari o, dimana pada posisi akhir disudut 90 o dapat dilihat pada Gambar 7 (c) dan (d). Gambar 8. Hasil analisis tabrakan antar komponen. 1. KESIMPULAN THE 5 TH URECOL PROCEEDING 228 ISBN

7 Semua komponen sistem kemudi berhasil dibuat dalam bentuk model 3D pejal. Penggabungan antar komponen menjadi gabungan kecil dan gabungan akhir berhasil dilakukan dan pengecekan clash atau tabrakan antar komponen telah dilakukan. Perubahan dimensi komponen-komponen telah dilakukan sesuai dengan hasil clash analisis. Simulasi gerak kinematika sistem kemudi dengan sudut 90 o, berhasil dilakukan dan menunjukkan gerakan yang baik. Gerak kinematika tidak menunjukkan adanya tabrakan antar komponen, sehingga memberikan gambaran bahwa sistem ini dapat diwujudkan dalam prototipe Widodo, T. & Riyadi, B., A parametric study of wind catcher model in a typical system of evaporative cooling tower Using CFD. Applied Mechanics and Materials, 660, pp PERSANTUNAN Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM) Universitas Muhammadiyah Surakarta dan Direktur Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan, Kementrian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi, Republik Indonesia, yang telah membiayai penelitian ini [Nomor kontrak = /A.3-III/LPPM/V/2016]. REFERENSI Anggono, A.D. & Riyadi, T.W.B., Finite Element Simulation of the Drawability of Tailor-Welded Blank. Applied Mechanics and Materials, 660, pp.3 7. Available at: Balachandran, A. & Gerdes, J.C., Artificial Steering Feel Design for Steer-by-wire Vehicles, IFAC. Available at: JP Khristamto, M., Praptijanto, A. & Kaleg, S., Measuring geometric and kinematic properties to design steering axis to angle turn of the electric golf car. Energy Procedia, 68, pp Available at: THE 5 TH URECOL PROCEEDING 229 ISBN