0708: Yohanes & Agus S. Pramono TR-65 STUDI PERFORMANSI KENDARAAN MULTIGUNA PEDESAAN Yohanes dan Agus Sigit Pramono Laboratorium Otomotif Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya Telepon 0856 5521 7285 e-mail: yunus@me.its.ac.id Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Kendaraan multiguna pedesaan adalah kendaraan yang selain untuk mengangkut penumpang, juga bisa digunakan untuk berdagang dan mengolah hasil pertanian. Dengan disain unik sistem transmisi dan berbagai tipe box yang bisa diganti dengan mudah maka kendaraan ini bisa digunakan sesuai dengan kebutuhan orang desa. Analisa keseluruhan pada kendaraan multiguna rancangan mula yang meliputi komponen penunjang kinerja, kekuatan, keselamatan, dan kenyamanan telah dilakukan. Sistem transmisi multiguna yang digunakan untuk lintasan on-road, off-road, dan keperluan produksi telah ditentukan rasio optimalnya. Chassis yang menopang bodi multiguna telah dianalisa kekuatannya terhadap beban statik dan tabrakan. Sistem kemudi telah dianalisa untuk kondisi Ackerman, steering error dan perbaikannya. Jarak pengereman dan distribusi gayanya telah dihitung untuk kondisi aktual dan ideal pada kondisi kosong maupun beban penuh. Kinerja sistem suspensi untuk menunjang kenyamanan dan kestabilan kendaraan pada jalan bergelombang, saat pengereman dan berbelok telah dianalisa. Analisa ergonomi kabin untuk menghindari cidera dan meningkatkan kenyamanan telah dilakukan beserta saran perbaikannya. Secara keseluruhan disimpulkan bahwa memungkinkan untuk mengembangkan kendaraan multiguna dari rancangan awal yang telah ada dengan berbagai perubahan dan tambahan. Pengurangan berat dan peningkatan daya engine perlu diteliti lebih lanjut untuk meningkatkan kinerja kendaraan secara keseluruhan. Kata Kunci: Kendaraan multiguna, transmisi multiguna, chassis, ergonomi kabin I. PENDAHULUAN Beragamnya kebutuhan terhadap alat transportasi produktif yang terjangkau oleh masyarakat pedesaan melahirkan banyak ide kreatif untuk melakukan modifikasi kendaraan. Mobil yang berfungsi utama sebagai alat trans-portasi dimodifikasi menjadi mobil toko hingga kendaraan perontok dan penggiling padi (GAMBAR 1). Namun, modifikasi tersebut menghilangkan fungsi utama kendaraan sebagai alat angkut penumpang dan barang. Rancangan tersebut juga belum dikaji kelayakannya dari sisi kinerja, keselamatan, dan kenyamanan. Oleh karena itu, perlu dirancang sebuah kendaraan multiguna yang mampu mendukung produktifitas masyarakat desa dengan harga terjangkau, namun memenuhi standar kelayakan alat transportasi. Bekerjasama dengan mitra industri, pada penelitian ini akan dibuat sebuah prototype kendaraan multiguna dengan rancangan dasar adalah mobil pick-up berpenggerak 650 cc. Pengembangan utama yang dilakukan adalah modifikasi chassis dan bodi belakang sehingga memudahkan penggantian bodi belakang sesuai peruntukannya (GAMBAR 2). Sistem transmisi multiguna juga dirancang untuk menyalurkan torsi dan putaran sesuai peruntukannya. Untuk fungsi transportasi, torsi besar diperlukan pada lintasan off-road sedangkan kelajuan maksimal dan konsumsi bahan bakar yang irit diperlukan pada lintasan on-road. [1 3] Lebih dari itu, untuk fungsi produksi, sistem transmisi multiguna ini juga bisa mengalihkan aliran daya dan putaran GAMBAR 1: Mobil gerandong.
TR-66 dari gearbox ke mesin atau peralatan yang dipasang pada kendaraan. [4] Pengembangan lain yang dilakukan untuk keamanan dan kenyamanan kendaraan adalah; sistem kemudi, sistem pengereman, sistem suspensi, dan interior kabin. [5 8] 0708: Yohanes & Agus S. Pramono II. METODOLOGI Analisa kendaraan dimulai dari sistem penggerak (drive train) meliputi; kelajuan maksimum, kemampuan tanjak maksimum, dan konsumsi bahan bakar. Persamaan gerak kendaraan arah longitudinal (GAM- BAR 3) beserta data pengukuran kinerja engine digunakan untuk menentukan kinerja sistem transmisi. Perubahan kelajuan maksimum dan konsumsi bahan bakar terhadap variasi rasio final drive dianalisa untuk menentukan rasio transmisi multiguna pada kondisi on-road dan off-road. Chassis kendaraan berfungsi untuk menopang beban statis dan dinamis sekaligus melindungi penumpang saat tabrakan. Dari data geometri chassis serta distribusi beban komponen dan muatan, dibuat model finite element chassis dengan jenis elemen shell. Untuk analisa kekuatan terhadap beban statis, Chassis ditumpu pada dudukan suspensi dengan jenis tumpuan engsel dan dibebani oleh berat komponen dan muatan yang ditopangnya. Hasil simulasi numerik berupa tegangan dan defleksi akan dianalisa. Untuk analisa tabrakan, chassis ditabrakkan ke tembok beton padat dengan kecepatan mula 48,3 km/jam sesuai standar MVSS 204. Pergeseran kolom kemudi dihitung dan dibandingkan dengan standar ijin maksimal 127 mm ke arah pengemudi. Sistem kemudi akan dianalisa untuk kondisi belok Ackerman. Kinematika sistem kemudi rack-pinion dimodelkan secara matematis untuk menentukan posisi dan ukuran yang tepat sehingga steering error bisa diminimalkan. Gaya pengereman aktual dan distribusinya pada tiap poros serta jarak pengereman dihitung berdasar kan gaya pedal yang dialirkan ke rem depan dan belakang. Hasilnya dibandingkan dengan kondisi ideal GAMBAR 2: Mobil multiguna, Mode transportasi, mode produksi. Pada tahun pertama, penelitian difokuskan untuk menganalisa kinerja dan karakteristik kendaraan rancangan mula serta menentukan saran perbaikan. Rancangan perbaikan, pembuatan prototype baru dan pengujiannya akan dilakukan pada tahun kedua dan ketiga. Analisa dilakukan dengan pemodelan matematis, perhitungan numerik, pengujian/eksperimen, serta pemodel-an finite element. Saran perbaikan ditentukan dengan membandingkan hasil analisa kinerja dan karakter kendaraan terhadap standar dan regulasi yang berlaku. GAMBAR 3: Diagram gaya kendaraan.
0708: Yohanes & Agus S. Pramono TR-67 mudi, memindahkan tuas gearbox, tuas handbrake serta posisi penumpang. Hasil analisa digunakan sebagai dasar perbaikan ergonomi kabin dengan beberapa alternatif perbaikan. Data spesifikasi kendaraan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: GAMBAR 4: Daya dorong roda penggerak tiap tingkat gearbox. yang diperoleh dari perhitungan menggunakan persamaan gerak longitudinal kendaraan. Kinerja sistem suspensi dianalisa untuk gerak bouncing, pitching, dan rolling kendaraan akibat profil lintasan, pengereman, dan kondisi belok. Hasil ini diperoleh dari perhitungan numerik yang didasarkan pada persamaan gerak kendaraan dengan model full car. Parameter sistem suspensi diperoleh dari pengujian. Hasil analisa digunakan untuk menentukan kelayak-an struktur sistem suspensi kendaraan. Ergonomis dari rancangan kabin kendaraan disimulasikan dengan software RULA-CATIA. Digunakan lima responden dengan postur tubuh yang berbeda untuk uji cedera tubuh pengemudi dan penumpang. Posisi tubuh tiap responden diukur untuk posisi menge- GAMBAR 5: Gaya dorong dan kecepatan kendaraan. Dimensi keseluruhan Wheelbase (L), m 2550 Trackwidth (t), m 1550 Beban Massa muatan penuh (Wl), kg 1500 Massa skosong (W0), kg 910 Transmisi Rasio clutch (is) 1,6 Rasio gearbox gigi ke-1 4:1 gigi ke-2 2,8:1 gigi ke-3 1,8:1 gigi ke-4 1:1 Rasio final drive (ie) 4,9:1 Jejari dinamis roda (rdyn), m 0,27 Kemudi Panjang tie-rod (Lt), m 0,365 Panjang steering arm (La) 0,126 Jarak rack ke sumbu roda (hs), m 0,147 Jarak sumbu steering arm (Wr),m 0,129 Panjang rack (Lr), m 0,645 Rem Jarak pedal-tumpuan, m 0,28 Jarak push rod-tumpuan, m 0,09 Diameter master silinder (dm), m 0,03 Diameter piston kaliper (dc), m 0,05 Diameter rotor disk (dr), m 0,23 Diameter wheel silinder (dw), m 0,0225 Diameter tromol silinder (db), m 0,24 Lebar kanvas rem tromol (wb), m 0,04 Jarak wheel silinder-tumpuan (lw), m 0,17 Sudut rem 1 (θ 1 ), deg 20 Sudut rem 2 (θ 2 ), deg 110 III. HASIL DAN PEMBAHASAN Daya pada roda penggerak hasil pengujian menggunakan chassis dynamometer untuk tiap rasio transmisi seperti ditunjukkan pada GAMBAR 4. Daya dorong tersebut dikonversikan menjadi gaya dorong untuk tiap tingkat transmisi seperti ditunjukkan oleh GAM- BAR 5. Dari grafik gaya dorong dengan sistem transmisi mula, kendaraan memiliki kemampuan tanjak maksimum hingga 50% atau 45 dan kelajuan maksimum 70 km/jam untuk kondisi tanpa muatan. Dari grafik kecepatan diketahui bahwa rasio transmisi bersifat progresif dengan rentang kelajuan yang lebih lebar pada top gear. Dengan lebih banyak beroperasi pada top gear, konsumsi bahan bakar akan lebih irit dan awet.
TR-68 Konsumsi bahan bakar pada top gear dapat dilihat pada GAMBAR 6. Konsumsi bahan bakar yang paling irit diperoleh pada rentang kelajuan 40-50 km/jam sebesar 1,4 liter per 25 kilometer jarak tempuh. Jika rasio final drive diperkecil hingga 3,6 maka kelajuan maksimal dapat ditingkatkan menjadi 80 km/jam dan konsumsi bahan bakar dapat lebih irit hingga 0,8 liter per 25 kilometer jarak tempuh pada rentang kelajuan 50-70 km/jam (GAMBAR 7). Rasio final drive yang lebih rendah akan mengurangi kemampuan tanjak kendaraan menjadi 30% (GAMBAR 8). Dari simulasi chassis untuk beban statis, seperti ditunjukkan gambar 9, diperoleh distribusi deformasi dan tegangan. Defleksi maksimum pada bagian dudukan engine sangat kecil, kurang dari 1 mm. Defleksi ini tidak akan berpengaruh pada kinerja sistem penggerak. Tegangan maksimum terjadi pada dudukan bodi depan sebesar 232,5 MPa sehingga masih aman. Namun, bagian ini harus diperkuat untuk mengatasi transfer load ke depan akibat pengereman atau lintasan menurun. Sedangkan, rangka chassis secara keseluruhan terlampau kuat sehingga memungkinkan pengurangan berat chassis tanpa mengalami kegagalan. Dari hasil simulasi tabrakan, seperti ditunjukkan pada gambar 10, deformasi maksimum terjadi di ujung depan sebesar 24 mm sedangkan pergeseran posisi kolom kemudi hanya 10 mm. Dengan demikian, struktur chassis ini sangat kaku sehingga energi tumbukan yang diserap kecil dan energi tumbukan yang diteruskan ke penumpang lebih besar. Dari analisa sistem kemudi diketahui bahwa steering error terhadap kondisi Ackerman masih besar seperti 0708: Yohanes & Agus S. Pramono GAMBAR 7: Pengaruh rasio final drive terhadap; kelajuan maksimum, konsumsi bahan bakar GAMBAR 6: Kinerja top gear. ditunjukkan oleh GAMBAR 11. Untuk memperbaiki kondisi ini posisi rack harus digeser 7 cm di belakang sumbu roda serta merubah panjang steering arm menjadi 12,5 cm, seperti ditunjukkan pada GAMBAR 12 dan GAMBAR 13. Dari perhitungan sistem pengereman diketahui distribusi gaya pengereman aktual kendaraan adalah 80% di poros depan dan 20% di poros belakang. Untuk menghasilkan pengereman yang baik, distribusi tersebut seharusnya 58% di poros depan dan 42% di poros belakang untuk kondisi tanpa muatan, serta 32% di poros depan 62% di poros belakang ketika bermuatan penuh. Perbedaan menunjukkan bahwa sistem pengereman yang ada tidak baik karena roda depan cenderung lock terlebih dahulu. Akibatnya, jarak pengere-
0708: Yohanes & Agus S. Pramono TR-69 GAMBAR 10: Deformasi akibat tabrakan. GAMBAR 8: Grafik traksi dan kelajuan dengan rasio final drive 3,6. man bertambah panjang seperti ditunjukkan TABEL 1. GAMBAR 11: Steering error. TABEL 1: Jarak pengereman (m) Kelajuan Ideal Aktual (km/jam) Kosong Penuh Kosong Penuh 40 13,32 13,37 11,12 22,59 60 27,25 27,49 22,4 48,02 80 45,65 46,4 37,25 82,27 GAMBAR 9: Distribusi deformasi dan tegangan akibat beban statis. Dari hasil pengujian dan simulasi sistem suspensi diperoleh hasil bahwa, dengan kekakuan pegas depan 10 kn/m dan pegas belakang 15 kn/m serta konstanta peredam 1,3 N-s/m, kendaraan mengalami percepatan vertikal lebih besar dari ISO 2631-1: 1997 (GAMBAR 14). Analisa kestabilan kendaraan pada berbagai kondisi dapat dilihat pada TABEL 2. Sudut pitching dan rolling
TR-70 0708: Yohanes & Agus S. Pramono TABEL 2: Tabel kestabilan kendaraan ( ) Kondisi Pitching Rolling Profil lintasan 6 6,5 Pengereman 35 0 Berbelok 5,5 16 GAMBAR 12: Pengaruh pergeseran jarak rack terhadap error. GAMBAR 13: Pengaruh panjang steering arm terhadap error. GAMBAR 15: Analisa cidera tubuh dan perbaikannya. GAMBAR 14: Percepatan vertikal dalam domain frekuensi. sangat besar saat kondisi pengereman dan belok menjadikan kendaraan tidak stabil dan dapat merusak sistem suspensi. Dari analisa RULA untuk ergonomi kabin dengan parameter resiko cedera tubuh diperoleh hasil bahwa rancangan mula masih memiliki resiko cidera yang tinggi untuk posisi mengemudi dan pemindahan tuas handbrake sehingga diperlukan perbaikan seperti ditunjukkan oleh GAMBAR 15. Lebih dari itu, untuk menunjang kenyamanan dan menghindari resiko cidera tubuh pada pengemudi dan penumpang dilakukan perubahan kabin dengan dua alternatif seperti ditunjukkan pada GAMBAR 15. IV. KESIMPULAN Analisa rancangan mula kendaraan multiguna pedesaan telah dilakukan pada setiap bagian penting yang menunjang kinerja, keselamatan, dan kenyamanan dengan disertai saran perbaikannya. Rancangan mula ini memungkinkan untuk digunakan sebagai dasar pengembangan kendaraan multiguna. Dengan mengurangi berat kendaraan dan meningkatkan daya engine, kinerja kendaraan multiguna akan menjadi lebih baik. Demikian halnya, jika interior kabin diperbaiki ergonominya, kendaraan multiguna ini akan menjadi kendaraan pedesaan yang aman dan nyaman bagi pengendara dan penumpang.
0708: Yohanes & Agus S. Pramono TR-71 [7] Arief, (2012), Analisa Kinerja Sistem Suspensi Kendaraan Multiguna Pedesaan, Jurnal IPTEK, Surabaya. [8] Batan, IML., (2012), Perancangan Kabin Mobil Pick Up yang Ergonomis dalam Rangka Pengembangan Mobil Murah Pedesaan, SNTTM XI, Jogjakarta. GAMBAR 16: Alternatif perbaikan kabin UCAPAN TERIMA KASIH Kami mengucapkan terimakasih kepada Kemenristek atas dukungan dana dan motivasi sehingga terlaksananya penelitian ini. Juga kepada PT. INKA dan VEDC sebagai anggota konsersium atas bantuan dan kerjasamanya dalam penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Sutantra, I.N., (2011), Teknologi Otomotif, Guna Widya, Surabaya. [2] Bosch, R., (2011), Automotive Handbook 8th edition, SAE, New York. [3] Naunheimer, H., (2011), Automotive Transmission 2nd edition, Springer, New York. [4] Yohanes, Sutantra, I.N., Wasiwitono, U., (2012), Sistem Transmisi Multiguna untuk Meningkatkan Kinerja dan Mengurangi Konsumsi Bahan Bakar pada Kendaraan Multiguna Pedesaan 650cc, SNTTM XI, Jogjakarta. [5] Wasiwitono, U., Pramono, A.S., Yohanes, (2012), Kinematic Analysis of Rack and Pinion Steering System of Rural Multi Purpose Vehicle, SNTTM XI, Jogjakarta. [6] Guntur, H.L., (2012), Evaluasi Kinerja Sistem Rem pada Mobil Pick Up Berdaya Angkut 1000 kg Produksi PT. INKA, SNTTM XI, Jogjakarta.