JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (2015) ISSN:

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (15) ISSN: Pemodelan dan Analisis Respon Dinamis Kendaraan Truk Akibat Pengaruh Profil Jalan dan Getaran Engine Prayogi Adista P. dan Wiwiek Hendrowati Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 6111 Indonesia wiwiek@me.its.ac.id Abstrak Truk merupakan kendaraan yang digunakan untuk mengangkut barang-barang logistik lintas kota. Kecelakaan lalu lintas yang diakibatkan truk merupakan hal yang sering dijumpai di banyak negara, tak terkecuali di Indonesia. Salah satu faktor yang memengaruhinya ialah kelelahan. Salah satu penyebab kelelahan ialah ketidaknyamanan sistem suspensi. Ketidaknyamanan yang terjadi dapat disebabkan oleh profil jalan. Selama ini pemodelan setengah kendaraan (half-car) hanya dilakukan dengan input pada roda depan dan belakang. Padahal pada kenyataannya, getaran engine yang berlebihan juga dapat memengaruhi ketidaknyamanan. Pada penelitian ini disimulasikan dan dianalisa model setengah kendaraan dari truk dengan menambahkan input getaran engine pada sistem. Getaran engine yang dimodelkan berupa input harmonik. Sedangkan, profil jalan yang dimodelkan berupa impuls dan sinusoidal. Kecepatan truk divariasikan dari 4, 6, hingga 8 km/jam, Sedangkan amplitudo jalan divariasikan sebesar,5 m,,1 m, dan,15 m. Hasil dari penelitian ini menunjukkan pada input step, besar kecepatan truk tidak memengaruhi nilai respon perpindahan maksimum dari kabin. Semakin besar kecepatan truk, nilai respon kecepatan maksimum dari kabin menunjukkan tren yang menurun, begitu pula dengan nilai respon percepatan maksimumnya. Sedangkan, pada input harmonik, semakin besar kecepatan truk dan amplitudo jalan, nilai respon dinamis (percepatan, kecepatan, dan percepatan) maksimum dan percepatan rms mengalami kenaikan. Adanya getaran engine meningkatkan nilai respon dinamis maksimum kabin. Percepatan rms rata-rata dari kabin truk juga meningkat sebesar 6 %. Sehingga berdasarkan standar kenyamanan ISO 631 menurunkan ketahanan. Hal tersebut menunjukkan bahwa getaran engine menyebabkan kelelahan pada. Kabin beresonansi pada frekuensi 1,176 Hz. Kata kunci : pemodelan sistem dinamis, dinamika truk, getaran engine, kontainer, kenyamanan berkendara. K I. PENDAHULUAN ECELAKAAN lalu lintas merupakan masalah yang sering ditemui di banyak negara, terlebih untuk negaranegara berkembang. Data yang dikeluarkan World Health Organization (WHO) menunjukkan, India menempati urutan pertama negara dengan jumlah kematian terbanyak akibat kecelakaan lalu lintas. Sementara, Indonesia menempati urutan kelima. Bedasarkan data yang didapat dari Badan Pusat Statistik (BPS), terdapat 1.16 kasus kecelakaan lalu lintas di tahun 13 baik dari sepeda motor, bus, truk, mobil, dan angkutan umum. Salah satu faktor yang mempengaruhi kecelakaan ialah kelelahan. Pengemudi wajib mengemudikan kendaraannya dengan wajar dan penuh konsentrasi (UU Th 9). Hal ini dikarenakan bertanggung jawab terhadap keselamatan dirinya, penumpang, dan muatan yang dibawa maupun pengguna jalan lain. Berdasarkan National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) setidaknya terdapat 1. kasus kecelakaan setiap tahun di Amerika akibat kelelahan. Kecelakaan truk akibat kelelahan merupakan salah satu penyebab dimana menempati peringkat keenam di antara faktor-faktor penyebab kecelakaan truk dengan persentase 13 % (FMCSA, 6). Salah satu penyebab kelelahan yang terjadi pada ialah ketidaknyamanan sistem suspensi. Sistem suspensi ialah salah satu komponen utama dalam kendaraan, yang erat kaitannya dengan kenyamanan, stabilitas dan parameter keamanan. Tujuan utama dari sistem ini adalah untuk meningkatkan kenyamanan pengguna (sopir dan penumpang), untuk menjaga kontak antara tyre dengan permukaan jalan, dan untuk meminimalisasi gaya-gaya dinamik yang bekerja pada bearing ketika kendaraan melaju. Kondisi ideal yang ingin diperoleh dari kenyamanan adalah kemampuan pengendara untuk menahan getaran akibat eksitasi jalan tanpa mengalami kelelahan. Selain profil jalan, mesin kendaraan yang menyala juga menimbulkan getaran. Getaran tersebut dapat menyebabkan ketidaknyamanan saat berkendara, bahkan dapat menyebabkan kelelahan pada. Dalam penelitian ini, dilakukan analisa sistem suspensi yang didasarkan pada pemodelan half car untuk mengetahui respon dari nilai kekakuan pegas, konstanta peredam berdasarkan variasi kondisi pembebanan pada profil jalan dan eksitasi getaran engine. Sehingga dengan standar kenyamanan ISO 631, penelitian ini dapat digunakan sebagai pertimbangan sistem suspensi yang sesuai untuk truk. II. URAIAN PENELITIAN Pemodelan yang digunakan pada penelitian ini adalah pemodelan setengah kendaraan (half car) dengan 7 derajat kebebasan (DOF). Model fisik dan dinamis kendaraan truk ditunjukaan pada gambar 1 & berikut ini.

2 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (15) ISSN: Gambar 1. Model fisik truk [11] Gambar. Model dinamis truk Berdasarkan gambar didapatkan persamaan gerak sebagai berikut: x af = 1 ( (k m pf + k af )x af (c pf + c af )x af + k pf x f + af c pf x f + k pf l f θ + c pf l f θ + k af y f + c af y f )... (1) x ar = 1 ( (k m pr + k ar )x ar (c pr + c ar )x ar + k pr x f + ar c pr x f k pr l r θ c pr l r θ + k ar y r + c ar y r )... () x c = 1 m c ( k s x c c s x c + k s x f + c s x f +k s l f θ + c s l f θ ) (3) x k = 1 m k ( k k x k c k x k + k k x f + c k x f k k l k θ c k l k θ )... (4) x e = 1 m e ( k e x e c e x e + k e x f + c e x f +k e l e θ + c e l e θ ) (5) x f = 1 m f ( (k s + k k + k pf + k e + k pr )x f (c s + c k + c pf + c e + c pr )x f + k s x c + c s x c + k k x k + c k x k +k e x e + c e x e + k pf x af + c pf x af + k pr x ar + c pr x ar + (k pr l r + k k l k k s l f k e l e k pf l f )θ + (c pr l r + c k l k c s l f c e l e c pf l f )θ )... (6) θ = 1 J ( k pfl f k e l e k pr l r k s l f k k l k )θ + ( c pf l f c e l e c pr l r c s l f c k l k )θ + k s l f x c + c s l f x c k k l k x k c k l k x k +k pf l f x af + c pf l f x af + k e l e x e + c e l e x e k pr l r x ar c pr l r x ar + (k k l k k pf l f k e l e + k pr l r k s l f )x f + (c k l k c pf l f c e l e + c pr l r c s l f )x f... (7) suspension yaitu yang terdapat diantara frame dan roda depan. k pr dan c pr merupakan kekakuan dan redaman dari suspension yang terdapat diantara frame dan roda belakang. k e dan c e merupakan engine stiffness dan engine damper. k s dan c s merupakan suspension yang terletak diantara frame dan kabin. k k dan c k merupaka konstanta pegas dan redaman ekuivalen dari kontainer. l f, l e, l r, dan l k merupakan jarak antara roda depan, engine, roda belakang, dan kontainer terhadap CG. Pada model ini terdapat tiga input yaitu y f (profil jalan pada roda depan), y r (profil jalan pada roda belakang), dan y e (merepresentasikan getaran pada engine). Data yang dimasukkan dalam simulasi berada pada tabel 1. Tabel 1. Parameter kendaraan truk Keterangan Komponen Simbol Nilai Satuan Massa Ban Depan m af 35 kg Massa Ban m ar 35 kg Massa Engine m e 16 kg Massa Frame m f 145/ kg Massa Cabin m c 65 kg Massa Kontainer m k 1 kg Inersia Kendaraan J 4,8 kg.m Konstanta Kekakuan Ban k af 5 N/m Depan Konstanta Kekakuan Ban k ar 5 N/m Konstanta Kekakuan Suspensi k pf 1 N/m Depan Konstanta Kekakuan Suspensi k pr 1 N/m Konstanta Kekakuan Engine k e 35 N/m Konstanta Kekakuan kabin k s 4 N/m Konstanta Kekakuan kontainer k s 4 N/m Konstanta Peredam Ban Depan c af 3,43 N/m Konstanta Peredam Ban c ar 3,43 N/m Konstanta Peredam Suspensi c pf 1 N.s/m Depan Konstanta Peredam Suspensi c pr 1 N.s/m Konstanta Peredam Engine c e 8 N.s/m Konstanta Peredam Kabin c s 133 N.s/m Konstanta Peredam Kontainer c k 133 N.s/m Jarak Ban Depan ke center of l f 1,173 m gravity Jarak Ban ke center l r,37 m of gravity Jarak Kontainer ke center of l k 1,84 m gravity Jarak Engine ke center of gravity l e 1,15 m Sedangan untuk input yang diberikan ada tiga yaitu input step dan harmonik (sinusoidal) yang merepresentasikan profil jalan serta getaran engine yang dimodelkan berupa input sinusoidal ke arah vertikal. Pemodelannya meliputi m af (massa roda depan), m ar (massa roda belakang), m f (massa frame), m e (massa engine), m c (massa kabin), dan m k (massa kontainer). Sedangkan k af dan k ar merupakan kekakuan dari roda depan dan roda belakang. k pf dan c pf merupakan kekakuan dan redaman dari Gambar 3. Input Step Pada gambar 3. Karakteristik input step yang diberikan ialah pada detik ke-1 tinggi jalan naik hingga,1 m kemudian

3 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (15) ISSN: konstan. Sehingga ketika disimulasikan didapatkan grafik input seperti pada gambar 5 Gambar 4. Input sinusoidal saat kecepatan 4 km/jam saat amplitudo jalan,5 m Input sinusoidal yang diberikan terlihat pada gambar 4 dimana input roda depan dan belakang memiliki beda fase sebesar 9 yang dinyatakan oleh persamaan di bawah ini : y f = Y sin ωt... (8) y r = Y sin ( ωt + )... (9) Dengan perhitungan frekuensi ( ) input ω = πf dimana f = v/λ, sehingga didapatkan frekuensi input untuk kecepatan kendaraan 4 km/jam adalah ω = 3,49 rad/s, kecepatan kendaraan 6 km/jam adalah ω = 5,3 rad/s, dan untuk kecepatan kendaraan 8 km/jam adalah ω = 6.98 rad/s Sedangkan untuk input getaran engine diasumsikan berupa gaya vertikal dimana frekuensinya didapatkan dari persamaan: Gambar 5. Getaran engine saat kecepatan 4 km/jam III. HASIL DAN ANALISA Pada penelitian ini didapatkan respon dinamis (perpindahan, kecepatan dan percepatan) dan kenyamanan dari kendaraan akibat input profil jalan dan getaran engine. Grafik dalam domain frekuensi juga didapatkan untuk mengetahui frekuensi natural dari sistem. Pengaruh dari adanya getaran engine dan profil jalan selanjutnya akan dianalisa. A. Perbandingan Respon Dinamis Kabin Truk dengan dan tanpa getaran Engine dengan Input Step Berikut ini merupakan respon dinamis (percepatan) kabin truk saat kecepatan truk 4 km/jam akibat input step. ω engine = v trukr 1 R r... (1) Dimana : v truk = kecepatan kendaraan truk (m/s) R 1 = Transmission Gear Ratio (,739) R = Rear End Ratio (4,875) r = Loaded Tire Radius (,395 m) Berdasarkan persamaan (1) didapatkan frekuensi engine seperti pada tabel. Tabel. Frekuensi engine berdasarkan kecepatan truk vtruk (km/jam) ω engine (rad/s) RPM Gaya engine yang didapatkan mengacu pada eksperimen [8] didapatkan data seperti pada tabel 3. Tabel 3. Frekuensi engine berdasarkan kecepatan truk ω engine (RPM) Percepatan F engine (N) engine (m/s ) 974 4, , , (a) (b) Gambar 6. Perbandingan respon dinamis (percepatan) kabin truk (a) tanpa getaran engine dan (b) dengan getaran engine akibat input step saat kecepatan truk 4 km/jam Grafik respon percepatan yang dimiliki kabin truk ketika diberi input step memiliki tren meningkat drastis di awal, kemudian menurun seiring berjalannya waktu. Pada detik ke 1 sekon, respon yang didapatkan berupa garis lurus. Nilai maksimum dari respon dinamis terjadi saat detik ke-1. Kemudian, berangsur-angsur stabil berupa garis lurus. Respon dinamis maksimum kabin truk ditunjukkan pada tabel

4 Acceleration (m/s²) Displacement (m) Velocity (m/s) JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (15) ISSN: & 5. Tabel 4. Respon dinamis maksimum dari kabin truk tanpa getaran engine Kecepatan (km/jam) Kabin Perpindahan Kecepatan Percepatan Tabel 5. Respon dinamis maksimum dari kabin truk dengan getaran engine Kecepatan (km/jam) Kabin Perpindahan Kecepatan Percepatan seperti nilai perpindahan maksimum, nilai respon kecepatan dan percepatan maksimum dari kabin truk dengan getaran engine ialah bervariasi berdasarkan kecepatan dari truk. Hal ini dikarenakan adanya variasi kecepatan truk yang mempengaruhi besar gaya eksitasi engine, sehingga nilai respon yang dihasilkan juga bervariasi. Sedangkan respon dinamis truk tanpa getaran engine ialah sama. Hal ini dikarenakan tidak adanya pengaruh gaya engine terhadap truk, sehingga variasi kecepatan truk tidak mempengaruhi nilai respon dinamis sistem. Adanya getaran engine menaikkan respon dinamis dari kabin truk. Semakin besar kecepatan truk, nilai respon kecepatan maksimum dari kabin menunjukkan tren yang menurun, begitu pula dengan nilai respon percepatan maksimumnya. (b) Gambar 7. Perbandingan respon dinamis (percepatan) kabin truk (a) tanpa getaran engine dan (b) dengan getaran engine akibat profil jalan sinusoidal saat kecepatan truk 4 km/jam dan amplitudo jalan 5 cm Grafik respon yang dimiliki kabin truk ketika diberi input harmonik memiliki tren sinusiodal yang tidak stabil di awal, kemudian stabil seiring berjalannya waktu. Respon dinamis maksimum kabin truk ditunjukkan pada gambar 8 & Cabin Displacement 4 6 8,5 m,1 m,15 m Cabin Acceleration Cabin Velocity 4 6 8,5 m,1 m,15 m B. Perbandingan Respon Dinamis Kendaraan Truk dengan dan tanpa getaran Engine dengan Input Harmonik Berikut ini merupakan respon dinamis (percepatan) kabin truk saat kecepatan truk 4 km/jam akibat profil jalan sinusoidal saat amplitudo jalan 5 cm ,5 m,1 m,15 m Gambar 8. Perbandingan respon dinamis maksimum kabin truk tanpa getaran engine terhadap variasi kecepatan truk dan amplitudo jalan (a) Gambar 8 merupakan grafik respon dinamis dari kabin truk dengan kontainer tanpa getaran engine akibat pengaruh amplitudo jalan dan kecepatan. Amplitudo jalan yang diberikan ialah sebesar,5,,1, dan,15 m untuk variasi kecepatan 4, 6, dan 8 km/jam. Terlihat pada gambar tersebut semakin besar kecepatan truk semakin besar pula respon dinamis (perpindahan, kecepatan dan percepatan) maksimumnya. Hal yang sama terjadi bila amplitudo jalan dinaikkan maka, respon dinamis maksimumya juga meningkat.

5 Percepatn rms (m/s) Percepatn rms (m/s) Percepatn rms (m/s) Acceleration (m/s²) Displacement (m) Velocity (m/s) JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (15) ISSN: Cabin Displacement ,5 m,1 m,15 m 1 Cabin Velocity 4 6 8,5 m,1 m,15 m Pada gambar 1 terlihat tren grafik dari percepatan rms kabin truk. Semakin besar amplitudo jalan, semakin besar pula percepatan rms yang dihasilkan. Adanya getaran engine menaikkan percepatan rms. Besar penambahan ratarata percepatan rms yang dihasilkan ialah 6 %. Berdasarkan tabel percepatan dan standar ISO-631 didapatkan kondisi ketahanan dan kondisi kenyamanan sebagai berikut. Tabel 6. Kondisi dan ketahanan terhadap variasi kecepatan dan amplitudo jalan Gambar 9. Perbandingan respon dinamis maksimum kabin truk dengan getaran engine terhadap variasi kecepatan truk dan amplitudo jalan Tren grafik respon dinamis yang dihasilkan oleh kabin truk dengan getaran engine sama dengan tanpa engine. Tetapi nilai respon dinamis maksimum yang dihasilkan berbeda. Dimana dengan adanya getaran engine, nilai respon dinamis maksimum yang dihasilkan mengalami kenaikan. C. Kenyamanan & Ketahanan Pengemudi Pada pembahasan kenyamanan ini, kenyamanan yang ditinjau hanya kenyamanan untuk input harmonik, analisa kenyamanannya menggunakan standar ISO-631. Parameter yang dibandingkan untuk menentukan kondisi kenyamanan dan ketahanan ialah percepatan rms. Percepatan rms yang dihasilkan dengan variasi amplitudo jalan dan kecepatan ditunjukkan pada gambar Kecepatan 4 km/jam Amplitudo 1 5 Cabin Acceleration 4 6 8,5 m,1 m,15 m Kecepatan 8 km/jam Amplitudo Kecepatan 6 km/jam Amplitudo Kecepatan truk Amplitudo.5 m Keterangan Ketahanan Keterangan ketahanan 4 Agak 1 jam Sedikit 16 jam jam 4 jam 8 Amat 5 menit 1 jam Amplitudo.1 m Kecepatan truk Keterangan Ketahanan Keterangan ketahanan 4 5 jam 6 jam 6 Amat 1,5 jam 1,4 jam 8 Amat 1 menit Amat 7 menit Amplitudo.15 m Kecepatan truk Keterangan 4 6 Amat 8 Amat Ketahanan Keterangan,5 jam 3 menit Amat dibawah 1 menit Amat ketahanan,6 jam 3 menit dibawah 1 menit Berdasarkan tabel 6. Semakin besar kecepatan truk maka semakin menurunkan kenyamanan dan ketahanan. Hal yang sama terjadi bila amplitudo jalan juga dinaikkan. D.Frekuensi Respon Persamaan gerak sistem dengan mengabaikan pengaruh redaman dapat ditulis dalam bentuk matriks sebagai berikut : [m]x +[k]x = F...(11) Nilai frekuensi natural dari sistem didapatkan dengan mengakar kuadratkan eigen value sehingga didapatkan besar frekuensi natural dalam (Hz) sebagai berikut Gambar 1.Perbandingan percepatan rms kabin truk dengan dan tanpa engine terhadap variasi kecepatan dan amplitudo jalan

6 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (15) ISSN: Plot respon steady state normalized amplitudo fungsi frekuensi : Pengaruh tersebut dapat diamati melalui fenomena berikut : a. Terjadi peningkatan nilai respon dinamis (perpindahan, kecepatan, dan percepatan) maksimum dari kabin truk. b. Variasi kecepatan truk pada input step hanya dapat dilakukan bila terdapat input getaran engine. c. Terjadi peningkatan nilai percepatan rms rata-rata dari kabin truk sebesar 6 %. 4. Semakin besar kecepatan truk dan amplitudo jalan, semakin besar pula percepatan rms yang dihasilkan sehingga berdasarkan standar kenyamanan ISO 631 akan menurunkan ketahanan. 5. Kabin beresonansi pada frekuensi 1,176 Hz. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapakan terima kasih kepada Ibu Dr. Wiwiek Hendrowati, S.T., M.T. yang telah membantu penulis dalam melakukan penelitian ini. Gambar 11 Grafik Normalized Frequency Berdasarkan perhitungan, sistem tersebut memiliki 7 frekuensi natural yang besarnya.9596, 1.176, , , , , , dan Hz. Bila frekuensi yang bekerja pada sistem mendekati frekuensi natural dari sistem tersebut, maka akan terjadi getaran dengan amplitudo yang besar. Fenomena ini disebut dengan resonansi. Secara teoritis, besar amplitudo nya saat frekuensi kerja sama dengan frekuensi natural ialah infinite. Tanda negatif pada amplitudo mengindikasikan bahwa massa tersebut bergetar out of phase dengan gaya. Pada penelitian ini salah satu frekuensi natural dari sistem ialah 1,176 Hz. Berdasarkan studi eksperimen yang dilakukan oleh Willem-Jan Evers et al[3], kabin beresonansi pada frekuensi 1, Hz. Nilai error yang dihasilkan sebesar,4 %. Hal tersebut mengindikasikan bahwa baik studi numerik maupun eksperimen, kabin mengalami getaran yang berlebih saat bekerja pada rentang frekuensi tersebut. IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi dan analisis respon dinamis (perpindahan, kecepatan, dan percepatan) untuk kendaraan truk pada saat kecepatan truk 4, 6, dan 8 km/jam, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada input step, besar kecepatan truk tidak memengaruhi nilai respon perpindahan maksimum dari kabin. Semakin besar kecepatan truk, nilai respon kecepatan maksimum dari kabin menunjukkan tren yang menurun, begitu pula dengan nilai respon percepatan maksimumnya.. Pada input harmonik (sinusoidal), semakin besar kecepatan truk, nilai respon dinamis (percepatan, kecepatan, dan percepatan) maksimum mengalami kenaikan. Pada variasi amplitudo jalan,5,,1, dan,15 m, semakin besar amplitudo jalan, nilai respon dinamis (percepatan, kecepatan, dan percepatan) maksimum yang dihasilkan semakin meningkat. 3. Penambahan gaya eksitasi engine memberikan pengaruh terhadap karakteristik dari respon yang dihasilkan. DAFTAR PUSTAKA [1] Gillespie et al Calibration of Response-Type Road Roughness Measurement System. Washington DC: National Research Council. [] Forsén, Anders Heavy Vehicle Ride and Endurance Modelling and Model Validation. Stockholm: KTH Högskoletryckeriet. [3] Evers, Willem-Jan et al. 1. Experimental Validation of a Quarter Truck Model Using Asynchronous Measurements with Low Signal-to-Noise Ratios. Eindhoven: Eindhoven University of Technology. [4] Rao, Singiresu S. 11. Mechanical Vibrations Fifth Editon.. Miami: Pearson Education. [5] Kristanto, Aris. 13. Kajian Faktor-faktor Resiko yang Berhubungan dengan Kelelahan Pengemudi Truk Trailer di PT AMI Th 1. Depok: Universitas Indonesia. [6] Sutrantra, I Nyoman & Bambang Sampurno. 1. Teknologi Otomotif: Edisi Kedua. Surabaya: Guna Widya. [7] Federal Motor Carrier Safety Administration (FCMSA) LTCCS Database. diakses Maret 15. [8] Hendry. 14. Pemodelan dan Analisa Getaran Mesin Bensin Sinjai LJ76M dengan Kapasitas 65 cc Dua Silinder Segaris Empat Langkah.. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [9] Jazar, Reza N. 8. Vehicle Dynamics: Theory and Applications. New York: Springer. [1] Amalia, Nava. 14. Analisa Kenyamanan Kendaraan Angkut Massal dengan Pemodelan Pengemudi Sebagai Sistem Multi-DOF. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [11] Misubhisi Fuso. diakses Maret 15.