RANCANG BANGUN STRUKTUR RANGKA KENDARAAN HYBRID RODA TIGA

Transkripsi

1 1 RANCANG BANGUN STRUKTUR RANGKA KENDARAAN HYBRID RODA TIGA Agil Erbiansyah dan Prof. Ir. I Nyoman Sutantra M.Sc.,Ph.D. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya tantra@me.its.ac.id Abstrak - Alat transportasi adalah kebutuhan yang cukup penting saat ini, dimana manusia memiliki kebutuhan untuk mobilitas yang cukup tinggi. Alat transportasi yang baik harus memenuhi beberapa aspek antara lain kestabilan, kenyamanan, keamanan, dan efisien. Pada jurnal kali ini akan dilakukan rancang bangun sebuah konsep baru kendaraan beroda tiga di Indonesia. Dengan bentuk yang cukup futuristik, kendaraan ini dirancang berkapasitas dua orang. Penentuan center of gravity yang tepat diperlukan untuk mendapatkan kendaraan yang stabil. Perancangan dilakukan dengan melakukan perumusan pada sudut slip. Selain itu juga perlu dilakukan analisa kekuatan pada struktur rangka yang dirancang dengan menggunakan finite element analysis supaya struktur rangka yang dirancang cukup aman. Keluaran dari tugas akhir ini adalah sebuah struktur rangka kendaraan hybrid roda tiga dengan satu roda penggerak di belakang. Kata kunci : Center of gravity, Finite element analysis, Kendaraan roda tiga, Sudut slip I. PENDAHULUAN ransportasi dalam kehidupan sehari-hari merupakan T kebutuhan yang sangat penting untuk menunjang aktifitas masyarakat. Oleh karena itu kebutuhan akan keamanan dan kenyamanan adalah hal yang sangat penting untuk diutamakan. Sangat banyak sekali kecelakaan yang terjadi dikarenakan kurangnya faktor keamanan dan tingkat kelelahan pengemudi akibat dari ketidaknyamanan kendaraan yang ada saat ini. Saat ini di Indonesia memiliki konsep kendaraan transportasi yang cukup memadai untuk dinamika pergerakan manusia tapi kurang tepat ketika kita membicarakan 2 kendaraan yang memiliki fakta masing-masing yaitu kendaraan bernama mobil dimana sekarang banyak kondisi mobil berkapasitas 9 orang tetapi hanya diisi oleh 2 orang saja, fakta ini didukung dengan artikel yang ditulis oleh Liputan6, tercatat bahwa pada ruas jalan utama di Jakarta 60 persen mobil hanya diisi oleh maksimal 2 orang hal inilah yang menyebabkan kemacetan karena banyak mobil namun sedikit orang yang memakan kapasitas jalan, Akan tetapi mobil dikenal dengan kendaraan yang sangat ergonomis (NYAMAN) dalam perjalanan sehingga wajar ketika banyak orang memilih kendaraan ini untuk transportasinya. Fakta yang kedua adalah kendaraan bernama sepeda motor, sepeda motor dikenal raja jalanan karena kelincahannya di jalanan meskipun dalam kondisi kemacetan, tetapi sepeda motor juga dikenal kurang safety karena banyaknya jumlah kecelakaan sepeda motor dibandingkan mobil di Indonesia. Menurut artikel yang ditulis Liputan6 tercatat bahwa pada tahun 2009 angka kecelakaan lalu lintas mencapai kasus meningkat dari tahun sebelumnya yang mencapai kasus, dan faktanya 70 persen penyumbang kecelakaan lalu lintas adalah kendaraan roda dua. Pada tugas akhir kali ini akan dilakukan rancang bangun chassis dan body pada kendaraan hybrid beroda tiga dengan kapasitas dua penumpang. Sehingga mampu menghasilkan kendaraan yang lebih aman dan nyaman, namun juga efisien. II. METODOLOGI PENELITIAN Pada penyusunan Tugas Akhir ini prosedur rancang bangun dilakukan dalam empat tahap. Tahap awal dari rancang bangun ini adalah dilakukan penentuan layout kendaraan sesuai dengan kapasitas dan posisi penumpang yang dirancanakan. Tahap yang kedua adalah Melakukan analisa perilaku belok dari kendaraan untuk mengetahui bagaimana sifat belok dari kendaraan, bersifat understeer atau oversteer Analisis dlakukan dengan cara Kalkulasi Quasi Dinamis. Quasi Dinamis merupakan menganalisis kendaraan yang sedang bergerak dinamis, tapi dianalisis seolah-olah dalam kondisi statis.. Pada tahap ketiga atau tahap Melakukan analisa terhadap kenyamanan dari kendaraan. Analisis dilakukan dengan menggunakan permodelan satu derajat kebebasan dan 1/3 kendaraan. Standar kenyamanan yang digunakan adalah standar kenyamanan Janeway. Pada tahap keempat adalah analisa kekuatan struktur rangka kendaraan. Analisa menggunakan finite element analysis untuk menentukan titik kritis dari rangka selanjutnya dilakukan perbaikan desain. Setelah keempat tahap telah terlewati dilakukan proses produksi kendaraan. Kemudian dapat ditarik kesimpulan dari pelaksanaan Tugas akhir ini. III. HASIL DISKUSI A. Analisa Belok kendaraan Analisa belok kendaran dilakukan untuk mengetahui kondisi belok dari kendaraan yang dirancang pada variasi sudut belok dan kecepatan. Sebelum dilakukan analisa belok dilakukan penimbangan terlebih dahulu terhadap kendaraan yang dibangun.

2 2 FF cc = mm VV2 RR aaaaaa (5) Berikut ini merupakan perumusan untuk menentukan tahanan angin pada kendaraan. FF dd = 1 2. CC dd. ρρ. VV aa 2. AA ff (6) Gambar 1. Penimbangan Roda Belakang dan Depan Dengan menggunakan persamaan 4.1, maka didapatkan posisi titik berat dari kendaraan. Besarnya W f dan W r dicari dengan menggunakan timbangan. Dari hasil penimbangan kendaraan dalam keadaan penuh (dua penumpang) didapatkan reaksi pada roda depan (W f ) sebesar 164 kg dan gaya reaksi roda belakang (W r ) sebesar 144 kg. Berat total dari kendaraan adalah 308 kg. Dengan memasukkan nilai W f,w r,dan W, maka didapatkan lokasi dari titik berat kendaraan [1]. aa = (aa+bb)ww rr WW rr +WW ff (1) Dengan mengangkat roda belakang kendaraan menggunakan dongkrak, maka reaksi pada roda depan akan berbeda. Gambar 2. Penimbangan Roda Depan dengan Roda belakang Terangkat Dengan mengangkat roda belakang kendaraan menggunakan dongkrak, maka reaksi pada roda depan akan berbeda. Dari persamaan 2, akan didapatkan nilai hr untuk masing-masing sudut. h rr1 = WW ff (aa+bb) WW.bb (2) WW tttttt φφ Untuk mendapatkan radius ackerman kendaraan dapat digunakan rumus seperti berikut: RR aaaaaa = aa+bb 57,29 δδ ff (3) ββ = aaaaaa. sin ( bb ) RR aaaaaa (4) dimana : Cd = 0,35 ρ = densitas udara = 1,23 kg/m 3 Va = kecepatan relatif kendaraan (m/s) Af = Luas frontal kendaraan (m 2 ) Tahap selanjutnya dilakukan perhitungan untuk menentukan momen rolling dan pitching sebagai berikut : b F a+b c. cos β. r c + W. r c. γγ = kk ssss. bb ff 2. γγ (7) Sudut Angguk/Pitching ψψ = (FF cc sin ββ FF dd ) rr cc (8) 2kk ssss bb 2 +2kk ssss.aa 2 Menentukan reaksi pada tiap roda, meliputi gaya normal (Fz), lateral (Fy) dan longitudinal (Fx) dapat dilakukan dengan menggunakan prinsip momen. Sudut slip pada tiap roda dapat diketahui dengan cara sebagai berikut [1] : αα bbbb = CC bbbb. CC bbbb [ FF CC bbbb CC yy αα (FF zz )] (9) bbbb dimana : CC bbbb = 26, (PP) (PP) 2 CC bbbb = 26, (PP ss ) (PP ss ) 2 CC bbbb = FF yy.αα (FF xx ) 109, FF yy.αα , ,58677 CC bbbb = Radius belok nyata dapat ditentukan nilainya dari persamaan sebagai berikut [1] RR nn = aa+bb 57,29 (10) δδ ff +αα rr αα ff Undeersteer index dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut. Apabila nilai Kus bernilai begatif (-), maka kendaraan berada dalam kondisi oversteer. Sebaliknya, apabila nilai Kus bernilai positif (+), maka kendaraan berada dalam kondisi understeer. KK uuuu = (αα ff αα rr ) 9,81RR nn (11) vv 2 Dari urutan analisa dengan menggunakan persamaan matematis diatas maka didapatkan grafik yang dapat menunjukan sifat belok dari kendaraan seperti berikut : 2 Gambar 3. Kinematika Belok kendaraan

3 3 Gambar 4. Grafik α terhadap sudut belok pada kecapatan 20 Gambar 5. Grafik α terhadap sudut belok pada kecapatan 40 Gambar 7. Grafik α terhadap sudut belok pada kecapatan 80 Semakin besar sudut steer yang diberikan oleh pengemudi, maka sudut slip yang terjadi juga menjadi semakin besar. Hal ini disebabkan karena radius belok dari kendaraan menjadi semakin kecil. Radius belok yang semakin kecil mengakibatan gaya sentrifugal yang dialami oleh kendaraan menjadi semakin besar. Gambar 5 menunjukkan hubungan antara sudut slip dengan sudut steer pada kecepatan 40 dengan kondisi jalan datar. Pada saat δ f = 11, terlihat gradien garis sempat mengalami penurunan namun stelah itu gradiennya meningkat. Hal ini menunjukan roda pada titik itu salah satu roda depan mulai terangkat. Kondisi speperti ini seharusnya dihindari karena beresiko kendaraan akan terguling. Pada gambar 6, gradien naik secara signifikan pada δ f = 5. Sedangkan pada gambar 7 roda mulai terangkat pada δ f = 3. Bahkan pada kecepatan 80 roda belakang juga ikut terangkat pada δ f = 20, hal ini harus dihindari karena roda belakang hanya berjumlah 1 dan merupakan penggerak dari mobil. Gambar 6. Grafik α terhadap sudut belok pada kecapatan 60 Gambar 8. Grafik indeks understeer terhadap sudut belok pada kecapatan 20

4 4 membentuk sudut slip menjadi berkurang. Semakin besar kecepatan kendaraan saat berbelok, maka sudut slip yang terjadi akan semakin besar pula. B. Analisa kenyamanan kendaraan Untuk menentukan suatu kendaraan masih dalam batas kenyamanan ketika melalui jalan yang bergelombang sinusoidal dapat ditelaah dengan urutan analisa sebagai berikut. - Menentukan konstanta pegas dan redaman Gambar 9. Grafik indeks understeer terhadap sudut belok pada kecapatan 40 Gambar12. Alat untuk menentukan konstanta pegas dan redaman Gambar 10. Grafik indeks understeer terhadap sudut belok pada kecapatan 60 Gambar 13. Skema untuk menentukan konstanta pegas dan redaman Gambar 11. Grafik indeks understeer terhadap sudut belok pada kecapatan 80 Apabila dilihat dari persamaan sudut slip, semakin besar pengaruh dari gaya lateral (Fy), maka sudut slip yang terjadi semakin besar. Hal ini terjadi karena adanya gaya lateral mendorong kendaraan ke arah samping. Dorongan ke arah samping inilah yang menyebabkan sudut slip pada roda semakin besar. Sebaliknya, apabila gaya normal yang diterima oleh roda semakin besar, nilai dari sudut slip menjadi semakin kecil. Adanya gaya normal yang semakin besar pada ban menyebabkan kontak antara ban dengan permukaan jalan semakin besar sehingga kemampuan gaya lateral untuk Dimana : W = Beban yang diberikan (Kg) K = Konstanta pegas (N/m) c = Konstanta redaman (Ns/m) x = Panjang defleksi pegas (m) a = jarak pegas ke pusat pengungkit (m) b = jarak pegas ke beban (m) L = Panjang lengan pengungkit (m) F = gaya yang bekerja pada pegas (N) Dengan menggunakan prinsip momen bisa didapatkan berapa gaya yang bekerja pada pegas. WW. 9,8(LL) = FF(aa) Gaya yang didapatkan dari perumusan diatas dimasukan ke perumusan dibawah untuk mendapatkan nilai konstanta pegas. FF = KK. xx (12) Konstanta yang didapatkan dari percobaan adalah sebesar N/m. Konstanta redaman bisa didapatkan dengan membagi gaya yang diberikan terhadap pegas dengan kecepatan turunnya pegas. cc = FF xx tt cc = FF vv

5 5 Konstanta redaman yang didapatkan dari percobaan adalah sebesar 1500 Ns/m. - Permodelan sepertiga kendaraan Analisa untuk mengetahui tingkat kenyamanan kendaraan dilakukan dengan permodelan sepertiga kendaraan dan 1 derajat kebebasan. Gambar 14. Permodelan 1/3 kendaraan dengan 1 derajat kebebasan Untuk menentukan frekuensi natural system suspensi dapat digunakan persamaan sebagai berikut [1] : ωω nn = KK (13) MM Berikut ini persamaan untuk menentukan frekuensi getaran jalan TT = SS vv ff = 1 TT ωω = 2. ππ. ff (14) Persamaan untuk menentukan perbandingan redaman ξξ = CC (15) 2 KKKK Menentukan perbandingan amplitudo massa kendaraan dengan amplitudo eksitasi jalan XX YY = 1+εε2 ωω ωω nn 2 1 ωω (16) ωω nn 2 +4ξξ 2 ωω ωω nn 2 Tingkat kenyamanan dari kendaraan dapat di tunjukan melalui grafik yang didapatkan dari urutan persamaan diatas. Grafik berikut ini menggunakan standard Janeway sebagai batas getaran yang diperbolehkan. Grafik yang didapatkan akan menunjukan batas kenyamanan yang diperbolehkan. Amplitudo pada tiap frekuensi getaran yang terjadi tidak boleh melebihi garis janeway. Frekuensi yang terjadi bervariasi sesuai dengan kecepatan kendaraan. Pada Amplitudo jalan 1 mm kendaraan masih terasa nyaman digunakan hingga kecepatan 100. Pada Amplitudo jalan 10 mm kendaraan sudah mulai tidak terasa nyaman pada kecepatan diatas 90. Pada amplitudo jalan 15 mm dan seterusnya dengan semakin meningkatnya amplitudo eksitasi jalan batas kecepatan supaya kendaraan nyaman pun semakin kecil. Sehingga pada Amplitudo eksitasi jalan mencapai 50mm kendaraan hanya mampu berjalan dengan kecepatan 35 supaya tidak mengurangi kenyamanan dari penumpang. Gambar 15. Grafik amplitudo eksitasi terhadap frekuensi getaran. C. Analisa Kekuatan Struktur Rangka Analisa struktur rangka dilakukan dengan menggunakan finite element analysis. Analisa dilakukan pada dua desain. Desain kedua sebagai perbaikan dari desain struktur rangka pertama. Perbaikan dilakukan karena distribusi tegangan yang tidak merata pada struktur rangka. Ketidak merataan tersebut dapat terlihat dari adanya konsentrasi tegangan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan tengangan yang terjadi di titik-titik lain. Gambar16. Struktur rangka kendaraan roda tiga tanpa dan dengan batang tambahan Desain diatas akan dianalisa dengan diberikan tumpuan dan pembebanan yang sama persis pada finite element analysis.

6 6 Gambar 17. Tempat tumpuan dan pembebanan pada struktur rangka Gambar 20. Prototype kendaraan tampak samping Gambar diatas adalah gambar prototype kendaraan hybrid roda tiga yang dirancang untuk perkotaan berkapasitas dua orang dengan posisi duduk berdampingan. Kendaraan ini merupakan salah satu output dari tugas akhir ini. IV. KESIMPULAN Gambar 18. Distribusi tegangan vonmises pada rangka tanpa batang tambahan Gambar 19. Distribusi tegangan vonmises pada rangka dengan batang tambahan Gambar di atas menunjukan distribusi tegangan pada rangka. Tegangan von mises maksimum terjadi pada sambungan pipa ke rangka bawah. Dari distribusi di atas terlihat tegangan yang terjadi masih terlalu besar dan terkonsentrasi. Perlu adanya perubahan struktur rangka supaya distribusi tegangan lebih merata. Untuk menghilangkan konsentrasi tegangan dilakukan perubahan desain dengan menambahkan batang trust tambahan. Berdasarkan hasil dari analisa desain memunculkan beberapa kesimpulan antara lain : 1. Kendaraan yang dirancang memiliki trackwidth 1,2 m dan wheelbase 1,972 m 2. Berat kosong dari struktur rangka kendaraan adalah 168 kg dengan posisi titik berat a = 0,922 m b = 1,05 m dan h = 0,205 m 3. Radius ackerman terkecil dari kendaraan adalah sebesar 4,519 pada δ f = 25ᵒ 4. Kendaraan roda tiga dengan satu roda di belakang cenderung bersifat oversteer terlihat dari nilai dari α r - yang lebih besar dari α f, sehingga mengakibatkan nilai K us bersifat negatif. 5. Panjang gelombang eksitasi jalan 5 m batas kecepatan kendaraan semakin menurun seiring bertambahnya amplitude eksitasi jalan antara lain 90 pada Y= 5 mm, 70 pada Y= 10 mm, 50 pada Y = 15 mm, 45 pada Y = 20 mm, 35 pada 50 mm. 6. Tegangan von mises yang terjadi pada desain 1 tidak cukup merata sehingga perlu dilakukan redesain dengan memberikan batang tambahan. DAFTAR PUSTAKA [1] Sutantra N. & Sampurno B., Teknologi Otomotif Edisi kedua, Guna Widya, Surabaya, [2] Genta G. & Morello L., The Automotive Chassis Volume 2: Chassis Design, Springer Science & Business Media B.V., Torino, Italy, [3] Moaveni S., Finite Element Analysis Theory And Application With Ansys, Prentice Hall, New Jersey, 1999.