Pemodelan dan Analisa Regenerative Shock Absorber (RSA) pada Sistem Suspensi Kendaraan Militer Roda Ban

Transkripsi

1 UNAL TEKNIK POMITS Vol., No., ( - Pemodelan dan Analisa egeneratie Shock Absorber (SA pada Sistem Suspensi Kendaraan Militer oda Ban Tidy Budiarto, dan Harus Laksana Guntur Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS l. Arief ahman Hakim, Surabaya 6 haruslg@me.its.ac.id Abstrak Kebutuhan energi listrik pada kendaraan militer modern sangat tinggi untuk mendukung peralatan elektroninika dan mekatronika yang ada pada kendaraan. Selama ini pasokan energi listrik kendaraan berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energi putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi bahan bakar kendaraan. Dalam jurnal ini didesain dan dimodelkan sebuah konsep SA pada suspensi military ehicle roda ban yang mampu memulihkan energi getaran terbuang menjadi energi listrik. Perhitungan besarnya energi listrik yang dapat dihasilkan SA akan disimulasikan dengan menggunakan metode komputasi dalam domain aktu dan frekuensi. Selain itu, simulasi dengan metode komputasi juga digunakan untuk mengetahui pengaruh penggunaan SA terhadap respon bodi kendaraan. Dari analisa ini didapatkan data poer haresting yang dapat dihasilkan oleh SA pada sistem suspensi military ehicle dengan % dan % SA sebesar att. Kemudian didapatkan dengan penambahan SA, respon bodi yang terjadi lebih cepat stabil dibandingkan dengan suspensi semula. Kata Kunci military ehicle, poer haresting, SA, suspensi. I. PENDAHULUAN ETAHANAN nasional sangatlah penting untuk Pmempertahankan kedaulatan negara, keutuhan ilayah sebuah negara, dan keselamatan segenap bangsa dari ancaman dan gangguan terhadap keutuhan bangsa dan negara. Peralatan militer merupakan salah satu alat untuk memperkuat pertahanan nasional. Untuk itu diperlukan peralatan militer yang cukup untuk memperkuat pertahanan nasional seperti military ehicle. Salah satu jenis military ehicle adalah Pengangkut Personel Lapis Baja (Armoured personnel carrier atau APC. APC adalah kendaraan tempur lapis baja ringan yang dibuat untuk mentransportasikan infanteri di medan perang. APC biasanya hanya dipersenjatai senapan mesin, tapi arianariannya bisa saja dipersenjatai meriam, peluru kendali antitank, atau mortir. Kendaraan ini sebenarnya tidak dirancang untuk melakukan pertarungan langsung, melainkan untuk membaa tentara secara aman dilindungi dari senjata ringan dan pecahan-pecahan ledakan. APC bisa menggunakan roda biasa maupun roda rantai. Fungsi listrik dan elektronik dalam kendaraan seperti APC saat ini sekitar dua kali lebih penting dibandingkan dengan tahun lalu. Di masa depan fungsi listrik dan elektronik mungkin jauh lebih penting dari saat ini. Salah satu fungsi listrik yang sangat penting adalah untuk mensuplai alat komunikasi dan alat naigasi pada APC ini. Selama ini pasokan energi listrik kendaraan berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energi putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi bahan bakar kendaraan. Oleh karena itu, untuk meningkatkan efisiensi kendaraan diciptakan alat pemanen energi yang memanfaatkan gerak relatif naik-turun suspensi yang akan ditangkap oleh sebuah alat terpisah dan dikonersi menjadi energi listrik untuk menggantikan altenator. Alat pemanen energi yang akan dikembangkan ini memanfaatkan gerakan naik-turun suspensi yang kemudian dikonersi menjadi gerak rotasi melalui sistem roda gigi yang kemudian akan digunakan untuk memutar generator. Generator akan menghasilkan listrik yang kemudian dapat disimpan untuk keperluan kendaraan tersebut. Alat ini dinamakan egeneratie Shock Absorber (SA. egeneratie Shock Absorber (SA ini juga digunakan untuk meningkatkan efisiensi dari kendaraan tempur APC tersebut. Sebagaimana telah kita ketahui bersama baha menurut penelitian Lei Zuo dari Ne York State Uniersity, hanya -6 persen dari energi bahan bakar yang efektif digunakan untuk menjalankan mobil sehari-hari, yaitu untuk mengatasi resistensi dari gesekan jalan, hambatan udara dan mendorong kendaraan maju. Sebagian besar energinya justru terbuang sia-sia. II. METODE PENELITIAN A. Pemodelan Matematis Disini akan dibahas mengenai sistem suspensi dari kendaraan APC dimana memerlukan pemodelan matematis. Pada kendaraan APC memiliki 6 roda, sedangkan analisa yang digunakan adalah analisa pada satu suspensi saja, sehingga pemodelan matematisnya adalah pemodelan seperenam kendaraan APC. Dalam hal ini analisa akan dilakukan dengan menggunakan pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan dua derajat kebebasan ( dof untuk pemodelan tanpa SA dan dengan lima derajat kebebasan ( dof untuk pemodelan dengan SA.

2 UNAL TEKNIK POMITS Vol., No., ( - X M M X m x - c + k (y (x - x - k + F (y - x c = + c (x (3 m x - c (x + k (x - x - F = (4 c X K C M Gambar. 4 dibaah menunjukkan FBD dariarah gerak rotasi. M X K C Y(t Gambar.. Pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan dua derajat kebebasan ( dof untuk pemodelan tanpa SA. FBD pada Gambar. mengasilkan persamaan gerak m x - c + k (y (x - x - k = (y - x + c (x ( x - c (x + k (x - x = ( m up X-X Gambar. 4. FBD gerak rotasi untuk pemodelan dengan SA. don X X K M C M K C SA B B K K B B 3 B3 3 K 4 4 B4 K3 B 6 Bg 6 B6 FBD pada Gambar. 4 mengasilkan persamaan gerak F c = K x x B (x - x + ( - θ + θ ( θ x x - k ( - θ + B θ + F = (6 c Y(t Gambar.. Pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan lima derajat kebebasan ( dof untuk pemodelan dengan SA. Sistem gerak pada Gambar. terbagi menjadi dua, yaitu gerak translasi dan rotasi. Gambar. 3 dibaah menunjukkan FBD dari arah gerak translasi. M Gambar. 3. FBD gerak translasi untuk pemodelan dengan SA. X FBD pada Gambar. 3 mengasilkan persamaan gerak M X B3 k F = θ + θ + ( θ θ3 c 3 3 (7 θ - k ( θ θ + B θ + F = ( c3 4 4 B4 k3 4 F = θ + θ 3 + ( θ 3 θ4 c3 3 (9 θ 4 - k ( θ3 θ4 +(Bg B6 θ 4 = ( Desain SA yang akan dipasang pada APC adalah dengan menggunakan susunan roda gigi untuk mengubah gerak translasi menjadi rotasi untuk memutar generator dan menggunakan one ay bearing untuk mengubah gerak naik turun menjadi satu arah putaran pada generator. B. Pemodelan Simulasi Setelah membuat pemodelan matematis dari seperenam mobil angkut pasukan tanpa dan dengan SA, maka didapatkan matrik input dan matrik ouput dalam bentuk ariable-ariabel state space. Variabel-ariabel state space ini kemudian digunakan untuk simulasi dengan metode

3 UNAL TEKNIK POMITS Vol., No., ( - 3 komputasi sehingga didapatkan hasil yang diinginkan. C. Parameter Yang Digunakan Kendaraan yang akan dianalisa adalah kendaraan tempur APC. Untuk itu diperlukan data parameter-parameter sistem kendaraan dan SA untuk pemodelan. Data inilah yang nantinya akan diolah dalam metode komputasi hingga keluar nilai-nilai output yang diinginkan. Tabel. Parameter kendaraan APC [] Model parameter Simbol (unit Transportpanzer (Fuchs APC Berat total kendaraan m (kg 7 Berat ban m (kg 3 umlah ban N 6 Suspension spring stiffness k (N.m - 4,4 Tyre compliance k (N.m -, 6 Suspension damping c (N.s.m -, 4 Tyre damping c (N.s.m - 86 Tabel. Parameter regeratif shock absorber (SA [] Model parameter Symbol (unit Mean Value ari-jari roda gigi (m,3 ari-jari roda gigi (m, ari-jari roda gigi 3 3 (m, ari-jari roda gigi 4 4 (m,6 ari-jari roda gigi (m, ari-jari generator 6 (m,6 Stiffness poros k (N.m/rad 36 Stiffness poros k (N.m/rad 36 Stiffness poros 3 k3 (N.m/rad 698 Frictional momen ball bearing B (N.s.m/rad,9 Frictional momen ball bearing B (N.s.m/rad,9 Frictional momen ball bearing 3 B3 (N.s.m/rad,6 Frictional momen ball bearing 4 B4 (N.s.m/rad,6 Frictional momen ball bearing B (N.s.m/rad, Frictional momen ball bearing 6 B6 (N.s.m/rad, Damping coefficient of generator Bg (N.s.m/rad,7489 dengan % SA Damping coefficient of generator Bg (N.s.m/rad,4978 dengan % SA Momen inersia roda gigi (kg.m 9,834x - Momen inersia roda gigi (kg.m 7,63x -4 Momen inersia roda gigi 3 3 (kg.m,8338x - Momen inersia roda gigi 4 4 (kg.m,483x -3 Momen inersia roda gigi (kg.m,8338x - Momen inersia generator 6 (kg.m,977x - III. HASIL DAN DISKUSI A. Profil Eksitasi Input Dalam simulasi ini akan dihasilkan respon getaran kendaraan pada masing-masing input. espon getaran tersebut berupa perpindahan (displacement, kecepatan (elocity, percepatan (acceleration, dan daya yang dihasilkan SA. Input yang dipakai adalah sinusoidal. Koefisien redaman suspensi kendaraan akan diariasikan dengan mensering redaman pada suspensi dan redaman SA. Variasi dari sering redaman suspensi adalah dengan %C, %C +%C SA, dan %C SA. Input yang digunakan adalah eksitasi sinusoidal dengan Y road (m,, -, -, X (m Gambar.. Profil jalan sinusoidal panjang gelombang (λ 6 m dan amplitudo, m. Eksitasi sinussoidal sendiri menggambarkan pofil jalan yang bergelombang yang dilalui oleh kendaran. Kecepatan kendaraan melintasi profil jalan tersebut adalah km/jam. Sehingga, dengan perhitungan frekuensi (ω input ω = πf dimana f = /λ, sehingga didapatkan frekuensi input untuk kecepatan kendaraan km/jam adalah ω =.84 rad/s. B. espon yang dihasilkan Hasil simulasi dengan metode komputasi dari pemodelan matematis didapatkan grafik respon bodi dan daya yang dihasilkan oleh generator. Hasi simulasi ditunjukkan pada Gambar. 6 sampai Gambar.. perpindahan (m % SA % SA tanpa SA aktu (detik Gambar. 6. espon perpindahan bodi arah ertikal elocity (m/s - - % SA % SA tanpa SA aktu (detik Gambar. 7. espon kecepatan bodi arah ertikal Dari ketiga grafik perpindahan, kecepatan, dan percepatan dapat dilihat baha gerak respon yang terjadi pada kendaraan

4 UNAL TEKNIK POMITS Vol., No., ( - 4 percepatan (m/s aktu (detik Gambar. 8. espon percepatan bodi arah ertikal memiliki tren bernilai besar dan tidak beraturan di aal, kemudian selebihnya semakin tampak seperti gelombang sinusoidal biasa. Hal ini disebabkan karena kendaraan diberi input berupa eksitasi yang bersifat sinusoidal serta dipengaruhi oleh redaman. Itulah mengapa tren yang terjadi pada respon akan tampak tidak beraturan di aal dan semakin lama semakin stabil layaknya gelombang sinusoidal. Dengan penambahan SA, didapatkan respon bodi yang terjadi lebih cepat stabil dan bernilai lebih kecil dibandingkan dengan suspensi semula. Sehingga dapat disimpulkan baha dengan penambahan SA akan menambah nilai redaman yang mengakibatkan respon bodi lebih cepat stabil dan lebih kecil. percepatan putaran (rad/s kecepatan putaran (rad/s % SA % SA tanpa SA % SA % SA aktu (detik Gambar. 9. espon kecepatan putaran generator pada SA % SA % SA aktu (detik Gambar.. espon percepatan putaran generator pada SA espon kecepatan putaran (angular elocity generator dan percepatan putaran (angular acceleration generator digunakan untuk menganalisa pengaruh daya yang akan dihasilkan oleh generator. Sedangkan percepatan generator akan menggambarkan salah satu losses yang terjadi pada sistem, losses tersebut adalah inersia losses yang besarnya adalah inersia dikali percepatan (I α. Terlihat baha potensi daya dengan % SA memiliki nilai yang lebih baik dari % SA. Hal ini didasarkan pada nilai kecepatan putaran generator yang lebih tinggi tanpa memperhatikan pengaruh dari redaman pada generator. Pada grafik percepatan putaran generator terlihat baha nilai dari percepatan generator tidah besar. Hal ini menggambarkan baha losses yang terjadi kecil, itulah sebabnya hasil dari respon bodi tidak memiliki perbedaan yang terlalu besar. daya (att aktu (detik Gambar.. Daya yang dihasilkan oleh generator pada SA Terlihat baha daya yang dihasilkan dengan % SA sedikit lebih besar dibandingkan dengan % SA. Hal ini dikarenakan daya yang dihasilkan merupakan fungsi dari redaman pada generator dan kecepatan putaran generator, yaitu dengan perumusan : P = Bθ ( % SA % SA Walaupun dengan % SA memiliki nilai kecepatanputara generator yang lebih tinggi dibandingakn dengan % SA, itu tidak sebanding dengan perbedaan nilai redaman dengan % SA, yaitu dua kali dari redaman dengan % SA. Sehingga daya yang dihasilkan dengan % SA sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan % SA dan sama ketika telah stabil yaitu sekiatar att. IV. KESIMPULAN/INGKASAN Desain SA yang akan dipasang pada APC adalah dengan menggunakan susunan roda gigi untuk mengubah gerak translasi menjadi rotasi untuk memutar generator dan menggunakan one ay bearing untuk mengubah gerak naik turun menjadi satu arah putaran pada generator. SA dapat membangkitkan daya sekitar att pada kecepatan kendaraan km/jam dengan melintasi profil jalan dengan panjang gelombang 6 m dan amplitudo, m. Dengan penambahan SA mengakibatkan respon bodi yang terjadi

5 UNAL TEKNIK POMITS Vol., No., ( - lebih cepat stabil dibandingkan dengan suspensi semula Sehingga disarankan untuk penelitian selanjutnya dilakukan perancangan generator dengan memperhitungan semua losses yang terjadi. UCAPAN TEIMA KASIH Penulis Tidy Budiarto mengucapkan terima kasih kepada selurus dosen pembimbing dan pembahas yang telah memberikan bimbingan dan masukan dalam penulisan artikel ini. Penulis juga megucapkan terima kasih kepada keluarga besar penulis yang telah memberikan doa dan dukungan finansial sehingga penulis dapat menyelesaikan artikel ini dengan lancar. DAFTA PUSTAKA [] Zuo, Lei dkk.. Design and Characterization of an Electromagnetic Energy Harester for Vehicle Suspension. USA : Ne York State Uniersity. [] Arziti, Marcos.. Haresting Energy From Vehicle Suspension. Spanyol : Tempere Uniersity of Technolog. [3] Stobart, K. uly. 7. An aailability approach to thermal energy recoery in ehicles. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: ournal of Automobile Engineering. [4] Hyo-un Kim, dkk.. Improing The Vehicle Performance ith Actie Suspension Using oad-sensing Algorithm. Elceier Science Ltd. [] S. ao, Singiresu. 4. Mechanical Vibration. Miami, USA : Prentice Hall PT. [6] Frederick, Close. 99. Modeling and Analysis of Dynamic System. USA : ohn Wiley & Sons. [7] Nise, Norman S. 99. Control System Engineering. USA : ohn Wiley & Sons. [8] Krylo, V.V., Pickup, S., dan McNuff,., Feb.. Calculation of Ground Vibration Spectra from Heay Military Vehicles. ournal of Sound and Vibration 39 ( [9] Yudhantara, W.. Analisa Dinamika Sistem Suspensi Pada Mobl Perkotaan Sebelum dan Se sudah Penambahan Mekanisme Vibration Energy ecoery System (VES. Surabaya : Teknik Mesin FTI ITS. [] Gysen, Bart L., dkk. Feb.. Actie Electromagnetic Suspension System for Improed Vehicle Dynamics. IEEE Transaction on Vehicular Technology ol 9. [] Zuo, Lei dan Pei-Sheng, Zhang. March.. Energy Haresting, ide Comfort, and oad Handling of egeneratie Vehicle Suspensions. ASME ournal of Vibrations and Acoustics.