BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Dasar Power Steering Dalam mengemudikan kendaraan roda empat, terkadang kita menemukan kendaraan yang mudah untuk dikendarai dan ada juga yang sulit. Salah satu faktornya adalah dari sistem kemudi. Pada kendaraan konvensional, sering kita jumpai suatu kendaraan masih menggunakan sistem kemudi manual steering system yang sangat berat sekali untuk membelokkan roda kemudinya sehingga membuat pengemudi cepat lelah. Menurut beberapa ahli di bidang teknik otomotif mendefiniskan Power Steering System berdasarkan fungsi dan cara pengoperasiannya. Salah satu definisi power steering yang dikemukakan pada Daihatsu Astra Motor (1990:36) bahwa Power Steering adalah salah satu bagian dari sistem kemudi tenaga yang berfungsi untuk membantu memberikan tenaga guna meringankan pengoperasian kemudi. Sejalan dengan itu Arisepa (2009:2) mengemukakan bahwa Power Steering merupakan suatu sistem kemudi yang mempunyai tujuan untuk memperingan pengoperasian kemudi. Kerja sistem kemudi yang menggunakan teknologi power steering ini berdasarkan gabungan antara sistem hidrolik dan mekanik. 5
6 2.2 Mekanisme/Prinsip Kerja Sistem Power Steering Power steering merupakan salah satu peralatan hidrolik yang menggunakan tenaga mesin untuk mengurangi usaha kemudi dengan konsekuensi putaran mesin yang digunakan tersebut untuk meningkatkan tekanan fluida. Tekanan fluida tersebut akan menggerakkan piston dalam gear box, sehingga piston dapat membantu pada bagian shaft (poros) roda. Jumlah dari tenaga tambahan bergantung pada perpanjangan dari tekanan fluida yang menggerakkan piston. Apabila butuh banyak tenaga tambahan, maka tekanan fluida harus ditingkatkan. Variasi dari tekakan fluida diatur oleh sebuah control valve. Control valve akan bergerak berdasarkan putaran roda kemudi Gambar 2.1 Tata letak komponen Power Steering pada kendaraan Sumber: http://otomotif.blogspot.com/uploads/2012/10
7 2.2.1 Posisi Netral (Straight Ahead Position) Keadaan pada posisi netral fluida dari pompa dialirkan menuju katup pengarah (control valve). Jika katup pengatur berada dalam posisi netral, maka semua fluida akan mengalir melalui katup pengatur menuju relief port (saluran pembebas) dan kembali lagi ke pompa. Pada kondisi seperti ini, tekanan akan sulit terbentuk dan tekanan pada power piston adalah sama untuk kedua sisi sehingga piston tidak akan bergerak ke salah satu arah. Gambar 2.2 Power Steering posisi netral Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model T30 Series Service Manual.
8 2.2.2 Posisi Belok Pada posisi kendaraan berbelok maka control valve akan membuka dan menutup pada salah satu aliran fluida. Pada saluran yang lain akan membuka sehingga menyebabkan perubahan volume aliran fluida dan pada saat yang sama terbentuk suatu tekanan yang menggerakkan piston. Sebuah perbedaan tekanan terjadi antara kedua sisi piston dan piston bergerak pada arah yang memiliki tekanan yang lebih rendah sehingga fluida dalam silinder akan dikembalikan menuju pompa melalui control valve. Gambar 2.3 Power Steering Posisi Belok Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model T30 Series Service Manual.
9 2.3 Komponen-Komponen Power Steering Pada umumnya Sistem Power Steering pada kendaraan roda empat merupakan salah satu perkembangan sistem steering manual yang mempunyai tujuan untuk meringankan beban kemudi pada saat dibelokkan, keringanan dari sistem power steering ini tergantung dari kecepatan mengemudikannya. Beberapa komponen utama dari Sistem Power Steering, diantaranya : 2.3.1 Pompa Power Steering (Vane Pump) Tekanan fluida pada mekanisme power steering biasanya digunakan pompa jenis rotary yaitu pompa plat pemisah (Vane pump). Vane pump adalah salah satu jenis pompa hidrolis yang menghasilkan tekanan dengan menggunakan rotor dan slipper. Debit pompa diatur dengan memilih harga eksentristas (jarak antara sumbu pompa dan sumbu cam) sesuai kebutuhan. Vane pump juga dilengkapi dengan alat pengatur tekanan (Relief valve), yang bekerja jika tekanan pompa melebihi tekanan pegas relief, maka katup akan membuka dan aliran fluida akan kembali ke dalam pompa sehingga tekanan yang keluar dari pompa dapat dipertahankan tetap stabil pada putaran tinggi. Relief valve ini berguna untuk mengontrol tekanan hidrolis maximum yaitu 72-82 Kg/cm 2. Vane Pump terdiri dari : 1. Rotor eksentrik (exentretator) yang digerakan oleh tali kipas (belt) dengan perantara pulley. 2. Fixed ring dengan 6 buat slot. 3. Enam buah slipper dengan pegas-pegas di dalamnya dan bersentuhan langsung dengan rotor.
4. Katup pengontrol (Flow Control Valve) yang mengatur tekanan maximum fluida dan volume aliran. 10 Gambar 2.4 Cara Kerja Vane Pump Saat Belok Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model T30 Series Service Manual. Cara Kerja Vane Pump : a. Putaran rendah (650-1250 rpm) Tekanan yang dikeluarkan pompa P1 bekerja pada posisi sebelah kanan dari flow control valve dan P2 bekerja pada sisi sebelah kiri setelah melalui orifice 1 dan 2. Perbedaan tekanan antara P1 dan P2 menjadi lebih besar karena putaran bertambah. Apabila tekanan P1 melebihi tegangan per flow control valve, maka low control valve bergerak ke kiri.
11 Sehingga membuka saluran yang menuju ke sisi penghisapan pompa, lalu fluida kembali ke sisi pengisapan pompa. Volume yang meuju gear housing dikontrol oleh cara ini. (aliran fluida yang dikontrol : 6.6 l/min). b. Putaran sedang (1250-1500 rpm) Tekanan yang dikeluarkan pompa P1 bekerja pada sisi sebelah kiri dari control spool. Apabila putaran pompa di atas 11250 rpm, tekanan P1 melebihi tegangan pegas dan control spool bergerak ke kanan, maka volume fluida yang melalui orifice 2 terpaksa berkurang, dan mengakibatkan bertambah rendahnya tekanan P2. Oleh karena itu tekanan anatar P1 dan P2 bertambah besar. Dengan cara ini flow control valve bergerak ke kiri. Oleh karena itu fuilda kembali ke sisi pengisapan pompa dan mengurangi volume fluida menuju gear housing. Dengan kata lain, bilamana control spool bergerak ke kanan ujung dari spool bergerak ke arah orifice 2, sehingga mengurangi volume fluida melalui orifice. c. Putaran tinggi (lebih dari 2500 rpm) Apabila putaran melebihi 2500 rpm, control spool terdorong seluruhnya ke arah kanan, sehingga menutup orifice 2 dengan sempurna. Pada saat ini tekanan P2 hanya ditentukan oleh jumlah fluida yang lewati orifice no.1. volume fluida yang menuju gear housing dikontrol oleh cara ini. (volume fluida yang dikotrol 3.,3 l/min).
12 Gambar 2.5 Vane Pump Sumber: Dokumentasi pribadi 2.3.2 Pipa-Pipa Pengalir Penggunaan pipa dalam sistem power steering digunakan pipa fleksibel yang terdapat menahan fluida bertekanan tinggi, pipa ini biasanya terdiri dari dua atau lapisan penguat sehingga dapat diandalkan tidak ada kebocoran pada pipa. Pipa sesuai dengan karakteristik ruangan pada mobil yang terbatas relative sempit dan memerlukan fleksibilitas dari pipa.
13 Gambar 2.6 Pipa-Pipa Pengalir Sumber: Dokumentasi pribadi 2.3.3 Gear Box Pada manual steering kontruksi worm shaft merupakan satu poros, akan tetapi pada power steering porosnya dibuat menjadi 2 bagian yaitu worm shaft dan torsion shaft. Jadi putaran roda kemudi dipindahkan melalui torsion shaft ke worm shaft. Prinsip Kerja Gear Box : Katup flapper berhubungan dengan torsion shaft. - Katup V 1 dan V 2 dari flapper No. 1 bekerja sebagai katup pengatur arah dan tergantung dari gerakan roda gigi kemudi. Rute aliran akan melalui P-A-T dan P-B-T.
14 - Katup V 3 dan V 4 dari flapper no.2 bekerja sebagai katup pengatur tekanan, yaitu mengatur tekanan pada titik A dan B serta tergantung pada gerakan roda kemudi. - Pada Posisi Netral (roda-roda lurus) Katup V 1,V 2,V 3 dan V 4 terbuka tidak ada perbedaan tekanan dititik A dan B. Karena flapper no.1 dan no. 2 posisi netral, maka semua saluran-saluran pada katup body (valve body) terbuka dan fluida yang ditekan dari vane pump ke reservoir tank. Selanjutnya proses ini berjalan terus menerus dan tidak ada tekanan di dalam silinder, sehingga piston tidak bergerak. - Apabila roda kemudi diputar kearah kanan V1 tertutup, V2 terbuka, V3 terbuka dan V4 terbuka sebagian. Tekanan fluida pada titik B bertambah dan mendorong piston ke kiri, sehingga membantu usaha kemudi untuk berputar ke kanan. Sebaliknya bila tenaga yang berkerja pada worm shaft bertambah, katup V4 akan tertutup rapat dan menambah tekanan fluida. Dengan demikian flapper no. 2 akan mengatur tekanan dan menghasilkan tenaga tambahan sehubungan dengan tenaga yang bekerja pada roda kemudi. Bila tenaga yang berkerja pada worm shaft berkurang, maka gerakan torsion shaft hanya sedikit. Oleh karena itu celah katup V4 bertambah dan tekanan pada power piston sebelah kanan berkurang. - Apabila roda kemudi diputar kearah kiri V 1 terbuka, V 2 tertutup V 3 sebagian terbuka dan V 4 terbuka. Tekanan pada titik A bertambah dan mendorong piston ke kanan sehingga membantu usaha kemudi. Sebaliknya bila tenaga yang bekerja pada worm shaft bertambah,
15 katup V 3 akan tertutup rapat dan menambah tekanan fluida. Bila tenaga yang bekerja pada worm shaft berkurang, gerakan torsion shaft hanya sedikit. Oleh karena itu celah katup V 3 betambah dan tekanan pada power piston sebelah kiri berkurang. Gambar 2.7 Gear Box Sumber: Dokumentasi pribadi
16 2.4 Persyaratan Power Steering Persyaratan pemakaian Power Steering dalam sebuah kendaraan juga mempunyai peranan penting dalam praktiknya. 2.4.1 Gaya Pengemudian Usaha kemudi yang besar diperlukan pada saat kendaraan berjalan lambat ataupun pada saat sedang parkir. Pada kecepatan sedang usaha kemudi yang lebih kecil, dan semakin tinggi kecepatan kendaraan maka usaha yang diperlukan untuk pengemudian semakin kecil. Pada kecepatan tinggi dibutuhkan usaha kemudi kecil karena pada saat ini gesekan antara ban dengan permukaan jalan telah berkurang. Pada segala tingkat kecepatan, gaya kemudi yang tepat harus selalu tersedia, untuk memperoleh itu sistem ini memiliki power steering dengan peralatan khusus (flow control valve) yang dipasangkan pada pompa dan gear housing. 2.4.2 Tipe Pendeteksi Kecepatan Kendaraan Menurut Toyota (1996: 55) kecepatan kendaraan dideteksi dengan speed sensor dan tekanan fluida yang bekerja pada torak akan berubah berdasar sensor kecepatan. Pada saat kendaraan berhenti atau berjalan pada kecepatan rendah tekanan fluida yang bekerja pada torak akan bertambah untuk memperingan gaya pengemudian yang dibutuhkan. Pada kecepatan tinggi tekanan fluida diturunkan sehingga bantuan tenaga pada sistem kemudi berkurang agar diperoleh respon yang tepat.
17 2.4.3 Tipe Pendeteksi RPM Mesin Dalam Toyota (1996: 55) tipe pendeteksi RPM mesin menyuplai fluida ke gear housing sesuai RPM mesin, kebanyakan pompa power steering mengirimkan volume fluida konstan ke gear housing meskipun kecepatan mesin berubah-rubah. Pada tipe ini pada rpm tertentu (putaran tinggi), volume aliran fluida diturunkan sehingga tekanan yang bekerja pada torak berkurang. 2.5 Dasar Hidrolik Dalam sistem power steering menggunakan fluida automatic transmition fluids (ATF). Minyak ini digunakan untuk mengubah momen puntir untuk kendaraan bermotor. ATF digunakan dalam sistem power steering karena mempunyai fungsi untuk mengalihkan gaya, maka power steering menggunakan minyak yang sama dengan transmisi otomatis. Persyaratan untuk minyak ATF adalah cukup tinggi karena harus : a) Kekentalan yang sesuai. b) Stabil terhadap panas dan oksidasi. c) Tidak berbusa maka minyak power steering ditambah bahan anti foaming agent. d) Untuk membedakan antara ATF dan minyak lain ATF diberi warna merah. e) Sifat mengalir yang baik oleh sebab itu memerlukan minyak dasar yang sangat encer. Minyak power steering harus mampu memelihara sifat hidrolik dengan baik karena juga berfungsi sebagai pelumas untuk power steering dan pompa. Minyak power steering yang digunakan sesuai spesifikasi adalah Dextron atau Dextron III. Pada
proyek akhir sistem power steering ini menggunakan ATF dengan merek Nissan Matic D. 18 Gambar 2.8 Oli ATF Matic D Nissan Sumber: Dokumentasi Pribadi
19 2.6 Wheel Alignment 2.6.1 Pengertian Wheel Alignment Roda-roda kendaraan dipasang dengan besar sudut tertentu sesuai dengan persyaratan tertentu untuk menjaga agar pengemudian ringan, nyaman dan stabil serta keausan ban normal. Sudut-sudut pemasangan roda tersebut dinamakan wheel alignment. Kebanyakan kendaraan yang ada di indonesia wheel alignment utamanya adalah untuk roda depan (FWA), walaupun wheel aligment untuk roda belakang (RWA) juga sudah ada. Wheel Alignment sangat penting untuk kenyamanan, keamanan dan kestabilan dalam kinerja sistem power steering sehingga pengemudian dapat berjalan dengan optimal terasa ringan, nyaman dan stabil serta keausan ban normal. 2.6.2 Faktor Wheel Alignment Yang termasuk dalam fakor-faktor wheel alignment ada 5 (lima) yaitu : camber, caster, king-pin inclination/ steering axis inclination, toe angle dan turninng radius/ turning angle. 1. Camber Camber adalah kemiringan roda terhadap garis vertikal jika dilihat dari depan atau belakang kendaraan. Jika roda miring ke arah luar kendaraan maka nilainya + (positif) dan jika roda miring ke arah dalam kendaraan maka nilainya (negatif). Manfaat dari sudut camber positif adalah memperkcil kemungkinan axle bengkok, mencegah roda slip, kemudi jadi ringan.
20 Gambar 2.9 Gambar Sudut Camber + (Positif), Camber (Negatif) Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual. 2. Caster Manfaat sudut camber positif yaitu memperkecil kemungkinan axle bengkok, mencegah roda slip, kemudi jadi ringan. Gambar 2.10 Sudut Caster Positif (+), Caster Negatif (-) Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
21 3. Steering Axle Inclination Caster adalah kemiringan steering axis inklination/ king pin jika dilihat dari arah depan/ belakang. Caster berperan untuk kelurusan dan kestabilan kemudi, memperkecil steering effortm dan memperkecil daya balik atau tarikan ke satu arah. Gambar 2.11 Sudut SAI atau KPI Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual. 4. Toe Angel Toe angle adalah perbedaan jarak antara roda depan bagian depan dengan roda depan bagian belakang. Jika roda depan bagian depan lebih pendek dibanding roda depan bagian belakang maka dinamakan toe-in, namun jika roda
22 depan bagian depan lebih panjang dibanding roda depan bagian belakang maka dinamakan toe-out. Fungsi utama toe angel adalah untuk mengimbangi gaya akibat adanya sudut camber (camber thrust). Toe-in : A < B Toe-out : A > B Gambar 2.12 Toe Angel Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
23 5. Turning Angel Sudut belok (turning angle) adalah sudut masing-masing roda saat kemudi diputar maksimum. Sudut belok roda dalam lebih besar dibandingkan sudut belok roda luar. Fungsi utama turning angle adalah mencegah terjadinya side slip, memperkecil keausan ban dan menjaga kestabilan pengemudian. Gambar 2.13 Turning Angle Sumber : Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
24 2.7 Metoda Analisa 2.7.1 Analisa Pengurangan Tekanan pada Katup Analisa beban kemudi power steering meliputi perhitungan kerugian tekanan yang dialami oleh aliran fluida selama mengalir terdiri dari perhitungan debit melalui katup, sedangkan tekanan yang dikeluarkan pada tekanan yang tetap. Gambar 2.14 Sketsa Katup Sumber: Gambar Pribadi Debit yang dibutuhkan untuk pencapaian keadaan itu adalah :
25 Dengan : Qa = debit yang dibutuhkan (m 3 /s) A = luas penampang katup (m 2 ) Kv = konstanta katup p = tekanan fluida (N/m 2 ) ρ = massa jenis (kg/m 3 ) Persamaan di atas konstanta katup (Kv) diperoleh dari : 2.7.2 Analisa Aliran Dalam Pipa Pipa yang digunakan dalam mekanisme power steering adalah pipa fleksibel, sehingga kecepatan aliran pada pipa adalah : Dengan : Vp = kecepatan aliran fluida pada pipa (m/s) Qk = debit yang keluar dari katup ( /s) Ap = luasan pada pipa mengalir ( ) Jenis aliran yang mengalir pada pipa ditentukan dengan bilangan Renold (Re) yang besarnya adalah ;
26 Dengan : V = viskositas kinematik pada minyak hidraulik Vm = kecepatan aliran fluida (m/s) d = diameter pipa (m) Batasan jenis aliran pipa dengan mempertimbangkan bilangan Renold (Re) adalah ; Re < 2320 aliran laminar 2320<Re<3000 aliran transisi Re > 3000 aliran turbulensi Kehilangan tekanan aliran pipa ( p), jika dinding pipa licin dan pipa adalah dianggap lurus. 1. Jika jenis aliran turbulen : Dengan : L = panjang pipa (m) ρ = massa jenis (kg/m 3 ) Vm dp = keceptan fuilda dalam pipa (m/s) = diameter pipa (m) 2. Bila aliran laminar, maka kerugian tekanannya adalah :
27 Dengan : λ Vm L = koefisien gesek pada pipa = kecepatan pipa (m) = Panjang Pipa ρ = massa jenis (kg/ ) Kerugian tekanan aliran fluida pada aliran masuk tergantung pada profil ujung pipa. Untuk analisa ini digunakan profil ujung pipa yang dibulatkan dengan jari-jari kecil maka kehilangan aliran antara (ζi) 0,05 s/d 0,1 sehingga kerugian tekanan ( p) yang dialami fuida. Dengan : Vp ρ = kecepatan fluida dalam pipa (ms) = massa jenis (kg/m3) Sehingga didapat kerugian akibat gesekan dinding katup sebesar : Pemakaian pipa fleksibel pada pemasangannya akan mengalami pembengkokkan sehingga terjadi perubahan aliran yang mengakibatkan perubahan pada tekanan. Harga koefisien bengkokan (ζb) diambil untuk bengkokan maka = 0,1 sehingga kehilangan pada tekanan aliran fluuida adalah sebagai berikut :
28 2.7.3 Analisa Aliran Fluida dalam Katup Kecepatan aliran fluida pada saluran masuk ke dalam katup dengan diameter (d K ) dengan debit aliran (Q K ), maka kecepatan aliran pada saluran masuk adalah : Dengan : Ak = luas penampang katup (m) Aliran yang masuk kedalam silinder hidraulik mengalami pemisahan aliran (percabangan) dengan pertimbagan bahwa aliran yang masuk kedalam salah satu piston sehingga salah satu akan tertutup. Dengan demikian aliran aliran fluida akan mengalami kerugian tekanan. Gambar 2.15 Aliran Katup Sumber: Dokumentasi Pribadi Kerugian tekanan akibat percabangan yaitu : 1. Kerugian akibat aliran yang dicabangkan yang besarnya (ζa) = 1,3 percabangan dengan sudut 900 maka kerugian tekanan adalah :
29 2. Kerugian aliran pada aliran yang melaju terus (ζd) = 0,06, kerugian tekanan yang dialami adalah : Kecepatan aliran fluida pada saluran masuk dalam silinder hidraulik : Kerugian aliran fluida karena faktor bentuk pada saluran masuk (ζd) = 0,02, kerugian tekanan yang dialami fluida adalah : Dengan : p = jumlah tekanan yang mengalir dalam rangkaian power steering Pkatup = jumlah tekanan yang keluar dari katup (N/m 2 ).