III. METODE PENELITIAN 3.1. WAKTU DAN TEMPAT Kegiatan Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan Juni hingga Desember 2011 dan dilaksanakan di laboratorium lapang Siswadhi Soepardjo (Leuwikopo), Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. 3.2. ALAT DAN BAHAN Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain : 1. Traktor roda empat, merk Yanmar tipe EF 435 T 2. Rangkaian sistem kontrol dengan menggunakan DT-51 Minimum System (Minsys) Ver. 3.3 yang berfungsi mengontrol gerakan sistem kendali. 3. Potensiometer linier dan absolute encoder sebagai sensor putaran. 4. Timbangan gaya, dan Multimeter 5. Elektro motor DC sebagai aktuator untuk menggerakkan kemudi, akselerasi, dan kopling. 6. Tachometer untuk mengukur rpm motor 7. Plat besi, plat strip, dan pipa silinder berbagai diameter dan ketebalan. 8. Laptop untuk merekam, menyimpan, mengolah data, dan merancang desain prototype. 9. Alat pendukung lainnya seperti; Power Supply, tang, obeng, bor listrik, las listrik, dan lain-lain. 3.3. TAHAPAN PROSES PENELITIAN Mulai Identifikasi Masalah Perumusan dan Penyempurnaan Konsep Desasin Analisis Rancangan ( penentuan kebutuhan tenaga, analisis struktural dan fungsional) Pengumpulan Bahan dan Manufakturing Kalibrasi dan Validasi Mekanisme sesuai Selesai Gambar 11. Diagram Alir Perancangan Mekanisme Pengendalian Kemudi, Kopling, dan Akselerasi 16
3.3.1. Identifikasi Masalah Dalam mengoperasikan traktor secara manual, ada beberapa hal yang harus dilakukan, antara lain; cara menghidupkan dan mematikan mesin, saat-saat yang tepat untuk menginjak kopling, memasukkan gigi persneling, menginjak akselerasi, mengatur kemudi, menginjak rem, dan sebagainya. Perancangan mekanik sistem pengendalian traktor secara otomatis tentunya harus mengikuti langkah-langkah pengoperasian secara manual tersebut. Ini berarti bahwa setiap mekanisme yang akan dirancang perlu memperhatikan waktu, lama pengoperasian, kecepatan, dan hal-hal lainnya. Pada mekanisme kopling, pedal kopling harus ditekan dan ditahan tetap berada pada posisi penekanan maksimum selama waktu yang dibutuhkan operator untuk memindahkan persneling. Setelah itu pedal kopling harus dilepas perlahan-lahan hingga posisi terlepas total, tidak boleh dalam keadaan setengah tertekan (menggantung kopling) karena selain berpotensi merusak komponen traktor juga sangat berbahaya bagi operator. Waktu penahanan kopling sangat relative tergantung dari skill operator, umumnya waktu penahanan antara 5-10 detik. Pada mekanisme kemudi dan akselerasi, traktor akan selalu dioperasikan lurus kecuali pada saat tertentu seperti berbelok atau memutar mengikuti pola pengolahan tanah. Saat dioperasikan lurus, traktor akan dilajukan dengan kecepatan konstan. Jika selama pengoperasian terjadi gangguan yang mengubah sudut roda depan, kemudi akan diputar untuk mengembalikan traktor ke posisi semula sesegera mungkin. Begitupun jika ada hambatan berupa guludan tanah atau sebagainya yang menghambat laju traktor, pedal akselerasiakan ditekan untuk mempercepat laju traktor. Masing-masing mekanisme perlu dilengkapi dengan aktuator pengendali, sistem transmisi daya, sensor posisi, limitswitch, dan komponen lainnya yang nantinya akan dikendalikan secara otomatis dengan sebuah sistem program pengendalian. 3.3.2. Perumusan dan Penyempurnaan Konsep desain Pada tahap ini permasalahan yang ada diselesaikan melalui desain konseptual yang meliputi beberapa alternatif desain. Dalam desain konseptual ini mulai menentukan komponen, mekanisme, dan konfigurasi sistem pengendali dengan tetap mempertimbangkan batasan masalah. Selanjutnya dipilih desain untuk masing-masing mekanisme yang paling baik untuk diproses ke tahap selanjutnya. Mekanisme yang akan didesain diharapkan mampu menggerakkan masing-masing sistem pengendalian traktor yaitu sistem kopling, sistem kemudi, dan sistem akselerasi baik dari segi ketepatan waktu, kekuatan, dan durasi. Dikarenakan waktu pengoperasian yang berbeda, maka dalam perancangannya masing-masing sistem didesain secara terpisah untuk kemudian disatukan dan dikendalikan oleh suatu sistem pengendalian pada penelitian selanjutnya. Beberapa alternatif desain untuk masing-masing mekanisme pengendalian dapat dilihat pada lampiran. Dalam desain pengendalian kopling, mekanisme terdiri atas lengan tambahan kopling yang diikat erat pada lengan kopling menggunakan klem, diujung lengan dimasukkan kabel penarik yang akan digulung oleh puli yang terpasang pada poros motor DC. Saat kabel tergulung, lengan akan tertarik dan pedal kopling akan tertekan hingga posisi maksimum. Setelah itu motor akan menahan lengan tetap pada posisinya hingga pemindahan persneling selesai dilakukan operator, motor akan dimatikan dan kabel 17
akan terulur karena kekuatan pegas yang mengembalikan lengan kopling secara perlahan ke posisinya semula. Mekanisme kemudi traktor menggunakan Timing Belt (T-Belt) sebagai transmisi daya dari motor DC ke kemudi. Motor dan puli T-belt dipasang pada bagian depan kemudi yang tidak mengganggu pandangan ataupun kenyamanan operator. Motor diberi dudukan yang ditopang oleh tiang penyangga di kiri dan kanan badan traktor. Pada bagian poros perputaran roda depan dipasang absolut encoder yang berfungsi sebagai sensor posisi belok roda. Motor DC akan memutar kemudi ke kanan ataupun ke kiri dan mengkondisikan agar roda selalu berada pada posisi lurus. Pada mekanisme pengendalian akselerasi, ruang kerja yang terbatas sangat menyulitkan dalam mengukur dan menentukan mekanisme yang sesuai. Sebagai solusinya, mekanisme pengendalian pedal akselerasi dirancang serupa dengn mekanisme pengendalian kopling, mekanisme pengendali pedal akselerasi menggunakan batang transmisi sebagai penyalur daya dari motor DC ke pedal akselerasi. 3.3.3. Analisis Rancangan Dalam tahap analisisrancanganini, akan ditentukan kebutuhan spesifik masing-masing komponen yang digunakan untuk membuat mekanisme pengendalian. Analisis tersebut terdiri atas analisis fungsional dan struktural yang dilengkapi dengan analisis teknik. Dalam analisis fungsional dilakukan penentuan komponen-komponen penyusun yang sesuai dengan fungsi dan kegunaannya dalam sistem kendali otomatis pada traktor. Sedangkan analisis struktural menentukan bahan dasar, bentuk, ukuran, dan kekuatan yang tepat untuk setiap komponen mekanisme yang sesuai dengan kebutuhan yang telah dianalisis melalui pendekatan-pendekatan teoritis. Lebih spesifik lagi, dalam melakukan perancangan fungsional dan struktural perlu memperhatikan berbagai hal antara lain; desain traktor yang meliputi posisi, bentuk, dan ukuran kemudi, pedal kopling, dan pedal akselerasi, kebutuhan tenaga untuk memutar kemudi dan menginjak pedal akselerasi dan kopling, panjang langkah dan lama waktu yang dibutuhkan saat menginjak pedal akselerasi dan kopling ke posisi maksimum, kecepatan putar kemudi saat hendak membelokkan traktor, serta laju traktor saat melakukan pengolahan tanah. a. Perhitungan Kebutuhan Tenaga Besarnya gaya yang dibutuhkan untuk memutar kemudi, menggerakan pedal kopling, atau pedal akselerasi harus diukur terlebih dahulu, hal ini bertujuan agar kesalahan dalam memilih sumber tenaga (dalam hal ini Motor Listrik DC) dapat dikurangi. Dengan mengukur kebutuhan gaya maka besarnya sumber tenaga dapat dihitung. Pengukuran gaya ini dilakukan dengan menggunakan timbangan. Pengukuran dilakukan pada kebutuhan gaya pengoperasian maksimum. Kebutuhan gaya maksimum untuk menggerakkan kopling dan pedal akselerasi adalah pada saat melakukan penekanan pada pedal kopling dan pedal akselerasi. Kebutuhan tenaga maksimum untuk memutar kemudi yaitu pada saat lingkaran kemudi traktor diputar dari keadaan maksimum kiri ke kanan atau sebaliknya. 18
Perhitungan kebutuhan tenagan maksimum yang dibutuhkan, digunakan rumus berikut: Dimana : P = daya (Watt) T = Torsi (N.m) F l = Gaya (N) = panjang lengan (m) ω = kecepatan sudut (rpm) r = jari-jari (m) N = rotasi per menit Data hasil dari penentuan kebutuhan tenaga tersebut menjadi referensi untuk memilih motor sebagai tenaga penggerak. Tenaga yang harus dimiliki motor agar dapat memutar kemudi ataupun menekan pedal akselerasi dan kopling harus lebih besar dari kebutuhan tenaga hasil pengukuran. b. Analisis Fungsional dan Struktural Setelah sumber tenaga ditentukan, langkah berikutnya adalah melakukan analisis fungsional dan struktural masing-masing komponen mekanisme yang akan didesain. Analisis struktural dan fungsional untuk masing-masing komponen dari ketiga sistem tersebut akan dijelaskan lebih rinci pada bab IV. 3.3.4 Pengumpulan Bahan dan Manufakturing Tahap terakhir dari penentuan mekanisme pengendalian kemudi adalah pengumpulan bahan, pemasangan dan pengaplikasian alat. Pemilihan jenis bahan yang akan digunakan disesuaikan dengan hasil analisis fungsional dan struktural untuk kemudian dirangkai sesuai dengan hasil analisis rancangan tersebut. 3.3.5 Kalibrasi dan Validasi Kalibrasi dan validasi dilakukan dengan menggunakan sistem kontrol yang dirangkai sedemikian hingga masing-masing mekanisme dapat diuji secara terpisah maupun diuji secara menyeluruh tanpa perlu membongkar rangkaiannya. Kalibrasi pada umumnya merupakan proses untuk menyesuaikan keluaran atau indikasi dari suatu perangkat pengukuran agar sesuai dengan besaran dari standar yang digunakan dalam akurasi tertentu. Kalibrasi perlu dilakukan sebelum dilakukan pengujian statis sistem. Berikut beberapa hal yang akan dikalibrasi pada tahap ini: - Pengukuran dan pengkonversian besaran jarak terhadap besaran sudut putar. Perpindahan posisi pada mekanisme yang dirancang terdapat pada perpindahan pedal kopling dan pedal akselerasi (bergerak dari atas ke bawah dan sebaliknya). Jarak yang ditempuh dan besarnya sudut putar motor listrik saat digerakkan dari posisi minimum ke posisi maksimum diukur kemudian dikonversi sehingga didapat persamaan nilai keduanya. Selanjutnya persamaan ini dijadikan tolak ukur pengkalibrasian jarak tempuh pedal dan sudut putar puli motor listrik. 19
- Pengukuran dan pengkonversian besaran sudut putar terhadap nilai keluaran sensor. Terdapat dua jenis sensor sudut yang digunakan pada penelitian ini. Absolute rotary encoder digunakan pada sistem pengendali kemudi dan potensiometer linier digunakan pada sistem pengendali akselerasi. Pada sistem pengendali kemudi, perubahan sudut roda depan traktor pada saat dibelokkan akan mempengaruhi nilai keluaran dari absolute rotary encoder. Dan pada sistem pengendali akselerasi, perputaran puli motor yang membentuk sudut tertentu terhadap porosnya akan mempengaruhi nilai hambatan potensiometer. Setiap perubahan sudut dan nilai keluaran sensor diukur dan dikonversi untuk mendapatkan persamaan hubungan keduanya. Hasil persamaan yang didapat menjadi tolak ukur pengkalibrasian sudut putar puli motor pengendali akselerasi, sudut belok roda depan traktor, dan nilai keluaran sensor pada masing-masing sistem pengendalian. Setelah kalibrasi dilakukan, langkah selanjutnya adalah validasi yaitu proses pembuktian dari hasil kalibrasi. Pada proses ini, sistem kontrol menetapkan suatu nilai posisi untuk masing-masing mekanisme kemudi, akselerasi, dan kopling berdasarkan persamaan yang didapat pada uji kalibrasi. Kemudian sistem kontrol akan menggerakkan masing-masing mekanisme secara otomatis hingga berhenti. Jika posisi berhentinya sesuai dengan posisi yang ditetapkan sebelumnya, maka uji validasi dinyatakan berhasil. Setelah kalibrasi dan validasi dilakukan, langkah terakhir dalam penelitian ini adalah melakukan pengujian statis pada mekanisme hasil perancangan. Pengujian dilakukan dengan menggerakkan semuamekanisme pengendali secara terpisah maupun secara bersamaan untuk memastikan apakah keseluruhan rancangan yang telah dipasang sudah sesuai dengan perintah yang dimasukkan ke sistem kontrol. 20