Studi Numerik dan Eksperimental Karakteristik Dinamik Model Sistem Suspensi

Transkripsi

1 Studi Numeri dan Esperimenta Karateristi Dinami Mode Sistem Suspensi Asnawi Lubis *, Zuhendri Hasymi, Jurusan Teni Mesin Fautas Teni Universitas Lampung Jaan Professor Sumantri Brojonegoro No., Gedongmeneng, Bandar Lampung 3545 Emai: Abstra Karateristi dinami suatu strutur mesin sangat penting untu dietahui untu menghindari getaran yang berebihan pada strutur tersebut. Karateristi dinami tersebut ditentuan oeh freuensi pribadi, ampitudo dan modus getar. Getaran pada suatu strutur mesin dapat terjadi arena adanya esitasi bai yang berasa dari daam maupun dari uar sistem. Jia freuensi esitasi berada di seitar freuensi pribadi sistem maa dapat terjadi fenomena resonansi, yang aan mengaibatan ampitudo getaran yang tinggi. Ampitudo yang tinggi yang equivaent dengan defesi dapat mengaibatan egagaan pada suatu sistem mesin ataupun strutur. Tuisan ini meaporan hasi ajian secara numeri dan eperimenta terhadap arateristi dinami suatu mode sistim suspensi. Sistim suspensi dimodean dan dianaisis secara numeri menggunaan metode eemen hingga dan diuji secara eperimenta menggunaan perangat Universa Vibration System UVS untu memperoeh arateristi dinami yang meiputi freuensi pribadi dan ampitudo getaran. Hasi studi menunjuan bahwa ampitodo main besar pada noda atau posisi yang main jauh dari tumpuan pegas. Kata unci: Freuensi pribadi, arateristi dinami, ampitudo, resonansi. Abstract Dynamic characteristics of a structure are very important to be nown in order to avoid ecessive vibration on the structures. These characteristic are natura frequency, ampitude, and vibration modes. Vibration of a structure may resut from interna or eterna ecitation. If the vaue of ecitation frequency has the same or around the vaue of natura frequency, then resonance can occur that ead to higher and higher ampitude. The high ampitude that equivaent to high defection can ead to faiure of the structure. This paper reports resuts of numerica and eperimenta studies of dynamic characteristic of a mode suspension system. The system is modeed and anayzed using finite eement anaysis and verified eperimentay using Universa Vibration System UVS to obtain dynamic characteristic in terms of natura frequency and ampitude. The resuts confirm that ampitude becomes higher at the midde of the mode at the farthest distance from the spring support. Keywords: natura frequency, dynamic characteristic, ampitude, resonance. PENDAHULUAN Getaran yang terjadi pada mesin-mesin atau strutur biasanya menimbuan efe yang tida diehendai, seperti etidanyamanan, etidatepatan daam penguuran atau rusanya strutur mesin. Getaran terjadi arena adanya esitasi bai yang berasa dari daam maupun dari uar sistem dan efe getaran tersebut berhubungan dengan freuensi pribadi sistem yang bergetar. Jia freuensi esitasi berada di seitar freuensi pribadi sistem maa aan terjadi fenomena resonansi, yang aan mengaibatan ampitudo getaran yang paing besar. Ampitudo equivaent dengan defesi, sehingga resonansi dapat menyebaban terjadinya egagaan pada sistem ataupun strutur. Respons meani dapat mewaii periau meani sebuah strutur yang dienai gaya esitasi. Respons meani tersebut sangat dipengaruhi oeh parameter sistem dinami strutur tersebut. Pada suatu strutur meani terjadinya gejaa getaran tergantung pada massa, eauan dan fator redamannya, sedangan periau dinami dari strutur tersebut ditentuan oeh arateristi dinami yang berupa freuensi pribadi, ampitudo dan modus getar. Penentuan arateristi dinami tersebut dapat diauan meaui aji teoriti, numeri maupun esperimenta. Karateristi dinami suatu strutur sangat penting untu dietahui, arena dengan mengetahui arateristi dinami maa peristiwa getaran yang berebihan dapat dihindari. Sistem pegas-bao banya digunaan daam apiasi teni, misanya untu sistem tumpuan pada strutur mesin dan sistem suspensi pada otomotif. [7] meauan peneitian dengan menggunaan computer software Fortran77 untu menentuan arateristi dinami mode sistem pegas-peredam ejut-massa dengan perubahan harga onstanta peredaman. Parameter yang diuur adaah watu yang diperuan untu berosiasi t dan simpangan yang dihasiannya. Tuisan ini meaporan hasi simuasi numeri menggunaan metode eemen hingga untu mengetahui arateristi dinami sebuah mode sistim suspensi yang terdiri dari onfigurasi pegasmassa tanpa peredam dengan perubahan pada niai onstanta pegasnya. Sistem ini merupaan pemodean dari sistem suspensi pada endaraan mobi penumpang dan sistem tumpuan pada mesin. Parameter yang diuur adaah freuensi pribadi f n serta ampitudo getaran X. Untu vaidasi hasi numeri diauan eperimenta dengan menggunaan universa vibration system. * Penuis orespondensi, phone: , , Emai: asnawi-ubis@unia.ac.id Studi Numeri dan Esperimenta Asnawi Lubis, et a.

2 Jurna Energi dan Manufatur Vo.5, No., Otober : -97. METODE.. Mode Sistem Suspensi Gambar a menunjuan sebuah mode sistem suspensi yang umum dipaai pada apiasi endaraan mobi penumpang. Sistem suspensi tersebut terdiri dari sepasang pegas di bagian depan dan sepasang pegas di bagian beaang. Biasanya terdapat juga sepasang peredam bersama dengan pegas, namun pada anaisis ini ehadiran peredam diabaian dan mode sistem suspensi dimodean sebagai sistem pegas bao seperti pada Gambar b dan c. Persamaan gera untu sistim yang ditunjuan oeh Gambar b dan c dapat diturunan sebagai beriut: Dari eseimbangan gaya arah vertica, diperoeh: m m Dari eseimbangan momen terhadap titi G: J C 3 Jc 4 Persamaan dan 4 dapat dituis daam bentu matris sebagai beriut: Jc m q 5 Dimana, t sin t sin Gambar. Mode sistem suspensi pegas-bao Dengan memasuan niai-niai dan θ beserta dengan masing-masing turunan eduanya, maa diperoeh: J m c 6 Niai-niai freuensi natura dan dapat diperoeh dengan teori determinan... Pemodean Eemen Hingga Sistim Pegas Bao Strutur pegas-bao dibuat meaui noda-noda yang dibagi menjadi noda seperti pada Gambar 3. Noda 3, dan 6, adaah untu eemen pegas yang menggunaan tipe eemen COMBIN4 dari ANSYS eement ibrary. Eemen ini mempunyai apabiitas ongitudina dan torsiona bai daam apiasi D, D, maupun 3D. Noda,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,,,, 4, 5, 7, 8, dan 9 adaah untu eemen bao yang menggunaan eemen BEAM4 dari ANSYS eemen ibrary. Eemen ini mempunyai 3 noda dan setiap noda mempunyai 6 derajat ebebasan, yaitu transasi pada arah sumbu-, -y, dan z, serta rotasi terhadap sumbu-, -

3 y, dan z. sedangan untu eiter yang didefinisian oeh eemen MASS, posisinya berubah-ubah pada noda,, 3, 4, 5, 6, 7, 8 dan 9. Gambar menunjuan tipe-tipe eemen yang dipaai pada pemodean sistem suspensi. Gambar. Tipe eemen untu mode sistim suspensi, a BEAM4, b MASS, c COBIN4 Gambar 3 menunjuan mode eemen hingga yang di anaisis. Kondisi batas boundary condition diterapan pada noda dan yang merupaan ujung pegas yang dijepit fu fied, sehingga pada bagian tersebut tida dapat bergera pada arah semua sumbu X, Y dan Z. Pada noda 3 dan 6 dimana ujung pegas menempe pada bao, constraint diauan untu perpindahan daam arah sumbu- UX dan arah sumbu-z UZ agar pegas hanya bergera pada arah sumbu Y. Beban yang diberian adaah beban harmoni dengan freuensi esitasi sampai dengan 5 Hz, dimana sumber esitasi berasa dari eiter yang diwaii oeh eemen mass. Posisi pembebanan pada noda,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 dan respon dinaminya dievauasi pada masingmasing noda tersebut. Gambar 3. Mode eemen hingga sistem suspensi.3. Pengujian Esperimenta Gambar 4 menunjuan sema esperimenta untu menguji arateristi dinami mode sistim suspensi yang terdiri dari pegas-bao. Bao yang digunaan adaah bao seragam dengan tumpuan pegas pada masingmasing ujungnya. Sumber getaran berasa dari eiter. Keterangan untu Gambar 4:. Sensor photogate non-contact TM 5.. Pegas 3. Eciter 4. Bao baja 5. Frame UVS Universa Vibration System 6. Interface Bo TM Set Komputer 8. Duduan Gambar 4. Sema pengujian esperimenta mode sistem suspensi pegas bao Aat dan materia uji yang digunaan untu mode sistem suspensi adaah : Studi Numeri dan Esperimenta Asnawi Lubis, et a. 3

4 . Bao baja AISI 45.. Pegas dengan onstanta yang teah ditentuan. 3. UVS Universa Vibration System} TM 5. UVS digunaan untu menguur respon getaran pada sistem 4. Sensor getaran photogate non-contact TM 5.. Sensor ini digunaan untu menguur respon freuensi pada sistem 5. Interface Bo TM 5.. Aat ini berfungsi sebagai power suppy sensor, penguat sinya sensor dan socet interface sebagai penghubung e omputer. 6. Eiter. Aat ini berfungsi sebagai sumber gaya esitasi. 7. Duduan. Digunaan untu menopang pegas dan bao. Tabe menunjuan data materia dan dimensi pengujian. Tabe. Data teni mode pengujian Peraatan pengujian Dimensi Panjang bao 73-3 m Massa bao,6 g Lebar bao 5-3 m Tinggi bao -3 m Moduus eastisitas bao GPa Koefisien eauan pegas 9 N/m 4 N/m Massa jenis 735,936 Kg/m 3 Prosedur pengujian arateristi dinami mode sistem suspensi adaah sebagai beriut:. Aat uji disusun seperti Gambar 4. Variasi diauan pada onstanta pegas 9 N/m dan 4 N/m dan sensor disambungan dengan UVS dan omputer.. Kemudian omputer dan perangat UVS di-on-an 3. Bao dibagi menjadi 9 noda. 4. Pegas dengan onstanta = = 9 N/m, dipasang pada ujung bao dan eiter pada noda-, emudian freuensi esitasi diberian sampai terjadi resonansi pada sistem. Data respon dengan sensor pada noda- sampai noda-9 diambi dengan freuensi gangguan tetap, sehingga aan didapat grafi fungsi respon freuensi. 5. Prosedur 4 diuangi dengan posisi eiter di noda- sampai noda Pegas dengan = =4 N/m digantian pada ujung-ujung bao dan prosedur 4 dan 5 diuangi. Gambar 5. Sema prosedur pengujian 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Tuisan ini menyajian hasi dua studi terhadap arateristi dinami mode sistim suspensi, yaitu studi numeri dan esperimenta. Studi numeri diauan dengan metode eemen hingga menggunaan software ANSYS.. Studi esperimenta menggunaan perangat uji Universa Vibrating System. Pada studi numeri menggunaan metode eemen hingga strutur dibagi menjadi noda, namun data respon dinami yang diambi hanya pada noda,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, dan 9. Bao dimodean dengan eemen BEAM4, eiter dimodean dengan eemen MASS dan pegas dimodean dengan eemen COMBIN4. Variasi diauan pada niai onstanta pegas, yaitu = = 9 N/m emudian diganti dengan = = 4 N/m. Kaji esperimenta diauan pada strutur uji dengan membagi bao menjadi 9 noda. Pegas menumpu bao pada edua ujungnya, dengan menggunaan camp sebagai penjepit. Konstanta pegas yang digunaan adaah = = 9 N/m dan = = 4 N/m. Pengambian data pada setiap noda diberi simbo H posisi eiter dan posisi noda. Freuensi eitasi diberian sebesar sampai dengan 5 Hz. H berarti pengambian Jurna Energi dan Manufatur Vo.5, No., Otober : -97 4

5 data pada saat posisi eiter di noda dan respon dinami di noda, demiian seterusnya. Setiap noda dicupi beberapa ai. Gambar 6 dan 7 menunjuan typica spetrum getaran, diambi untu H5 dan H5. a b Gambar 6. Spetrum getaran untu = = 9 N/m dan pada eiter di noda 5, a esperimenta, b metode eemen hingga Spetrum getaran dapat diperoeh untu seuruh ombinasi posisi noda eiter dan posisi noda respon. Ada 7 ombinasi posisi eciter dan titi pengambian respon seperti Tabe dimana spetrum getaran seperti ditunjuan oeh Gambar 6 dapat diperoeh. Spetrum getaran untu 7 ombinasi diperoeh untu niainiai onstanta pegas = = 9 N/m dan = = 4 N/m. Dengan demiian ada 44 grafi spetrum getaran yang diperoeh untu menentuan freuensi getaran sistem. Tabe. Kombinasi posisi eciter dan titi pengambian respon H H H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H3 H3 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H4 H4 H34 H43 H53 H63 H73 H83 H93 H5 H5 H35 H45 H54 H64 H74 H84 H95 H6 H6 H36 H46 H56 H65 H75 H85 H95 H7 H7 H37 H47 H57 H67 H76 H86 H96 H8 H8 H38 H48 H58 H68 H78 H88 H97 H9 H9 H39 H49 H59 H69 H79 H89 H98 a b Gambar 7. Spetrum getaran untu = = 9 N/m dan pada eiter di noda 5, a esperimenta, b metode eemen hingga Dari 44 spetrum getaran yang digambaran tida ditunjuan pada tuisan ini untu membatasi jumah haaman masimum, maa diperoeh bahwa freuensi pribadi sistem pegas bao yang ditinjau dapat diihat pada tabe 3. Studi Numeri dan Esperimenta Asnawi Lubis, et a. 5

6 Tabe 3 Freuensi pribadi sistim pegas-bao, Hz, N/m Studi esperimenta Metode Numeri f n f n f n3 f n f n f n3 9 3,698 7,39 4,95,8 3, 8, 4 6,4 3,7 47,74 3, 4,5 9, Pada studi esperimenta esitasi diberian berupa freuensi harmoni, freuensi yang dicupi sebagai freuensi esitasi adaah freuensi yang menyebaban terjadinya resonansi pada sistem. Peristiwa resonansi ini ditandai dengan sistem bergetar hebat, semain deat freuensi esitasi dengan freuensi pribadi sistem maa semain besar ampitudo yang ditimbuannya. Freuensi esitasi diberian meaui input pada perangat UVS yang emudian responnya ditampian daam bentu grafi Fungsi Respon Freuensi FRF. Grafi FRF ini menampian hubungan antara ampitudo X daam satuan meter pada sumbu Y dan freuensi f daam satuan Hz pada sumbu X. Pada setiap ai pencupian data respon ditampian sesuai dengan range yang ditentuan yaitu 5 Hz, sehingga f n yang muncu berada pada range tersebut. Punca-punca ampitudo pada grafi FRF menunjuan eta freuensi pribadi. Pada studi numeri freuensi esitasi diberian daam bentu command yang menunjuan range freuensi yang diberian pada sistem yaitu 5 Hz, sehingga tida dapat dietahui berapa besar freuensi esitasinya. Disini hanya freuensi pribadinya f n yang dapat ditentuan. Pada studi esperimenta dan numeri spetrum yang dihasian seperti terihat pada Gambar 6 dan 7, yang menunjuan bahwa sistem umumnya mempunyai tiga freuensi pribadi. Perbandingan freuensi pribadi hasi esperimenta dan numeri pada freuensi pribadi e- dan e- mempunyai seisih yang eci, sedangan freuensi pribadi e- 3 seisihnya cuup besar. Ha ini dapat terjadi arena urang sensitifnya sensor photogate yang digunaan pada saat esperimenta. Pada studi esperimenta ampitudo untu = = 4 N/m mempunyai niai yang ebih besar dibandingan dengan = = 9 N/m, ha ini disebaban arena freuensi esitasi untu = = 4 N/m ebih mendeati freuensi pribadi sistem. Respon ampitudo untu f n pada noda,, 3, 4, 6, 8 dan 9 untu setiap posisi eiter niainya ebih eci dibandingan respon ampitudo pada noda 5. Terjadi ecenderungan bahwa niai ampitudo noda yang terdeat dengan pegas aan berniai paing eci dan semain etengah ampitudonya semain besar, ha ini terjadi untu = = 9 N/m dan = = 4 N/m pada edua metode. Untu f n dan f n3 pada edua niai onstanta pegas, ampitudo yang terjadi mempunyai niai yang reatif eci dan mempunyai ecenderungan yang tida teratur. Besarnya niai ampitudo pada freuensi pribadi e- diarenaan esitasi yang diberian mendeati freuensi pribadi e-, apabia freuensi esitasi yang diberian mendeati freuensi pribadi e- dan e-3 penuis berasumsi bahwa ecenderungan yang terjadi aan reatif sama dengan yang terjadi pada freuensi pribadi e-. Perbedaan niai ampitudo antara hasi esperimenta dan numeri yang besar dimunginan arena pada saat pengujian esperimenta, penempatan posisi pegas agar tetap tega urus dengan bao cuup suit diauan, ha ini arena etia beresonansi sistem bergetar hebat sehingga terjadi pergeseran posisi antara pegas dengan bao. Seain itu juga urang sensitifnya sensor yang digunaan dapat menyebaban terjadinya perbedaan tersebut. 4. SIMPULAN Hasi studi yang teah diauan menunjuan bahwa freuensi pribadi yang diperoeh secara eperimenta dan numeri menunjuan niai yang berdeatan untu freuensi pribadi pertama. Perbedaan freuensi pribadi main besar untu freuensi edua dan etiga. Untu ontanta pegas = = 9 N/m, perbedaan freuensi pribadi pertama, edua, dan etiga, berturut-turut adaah 6.6%, 5.7%, dan 3%, sedangan untu = = 4 N/m, perbedaan ini berturut-turut adaah 8.3%,.7% dan 38.8%. Hasi studi juga mengonfirmasian bahwa noda yang terdeat dengan pegas mempunyai ampitudo paing eci dan semain e tengah eta noda ampitudonya semain besar. DAFTAR PUSTAKA [] ANSYS Inc., ANSYS Hep. Theory Reference [] Dimaragonas, A.D., Vibration for engineers. Prentice-Ha Inc., New Jersey, 99. [3] Miche, L., Berthier, P., dan Hagopian, J.D., Mechanica vibration for engineer. John Wiey & Sons Ltd. Northern Ireand, 983. [4] Moaveni, S., Finite Eement Anaysis, Theory and appication with ANSYS, 999. [5] Nash, D.H., Computer Aided Engineering Design. University of Stratchyde. Gasgow, Scotand [6] Shigey, J.E., dan Mitche, L.D., Perencanaan Teni Mesin edisi eempat jiid. Erangga. Jaarta, 984. [7] Soegiharjo, O. Simuasi omputer untu anaisa arateristi mode system pegas-peredam ejutmassa. Universitas Kristen Petra. [8] Thompson, W.T. Teori getaran dengan penerapan, edisi e. Erangga. Jaarta Jurna Energi dan Manufatur Vo.5, No., Otober : -97 6