JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) ISSN: 2301-9271 1 Pengembangan Prototipe Hybrid Shock : Kombinasi Viscous dan Regenerative Shock Mohammad Ikhsani dan Harus Laksana Guntur Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: harus_lg@me.its.ac.id Abstrak - Dalam kendaraan bermotor, energi yang digunakan untuk menggerakkan kendaraan hanya 10 16 % dari energi yang dihasilkan oleh engine, sisanya terbuang dalam bentuk energi panas dan getaran. Sehingga dalam satu dekade ini telah dikembangkan alat berupa shock absorber yang bisa memanfaatkan energy terbuang tersebut untuk diubah menjadi energi listrik. Pada tugas akhir ini akan dikembangkan alat pemanen energi terbuang pada sistem suspensi kendaraan berupa Hybrid shock absorber, yaitu kombinasi antara viscous dan regenerative shock absorber. Prototipe alat kemudian diuji dengan metode pembebanan, eksitasi impuls, dan eksitasi harmonik untuk mendapatkan data karakteristiknya antara lain kapasitas absorbs energi, energi listrik bangkitan, dan koefisien redaman. Dari tugas akhir ini didapatkan nilai koefisien redaman dan daya bangkitan dari hybrid shock absorber untuk pengujian metode pembebanan, eksitasi impuls, dan eksitasi harmonik. Kata kunci : HSA, RSA, Kapasitas energi, karakteristik absorbs energi, karakteristik redaman, energi listrik bangkitan. I. PENDAHULUAN Kendaraan merupakan kebutuhan bagi sebagian besar masyarakat. Pertumbuhan jumlah kendaraan berbanding terbalik dengan ketersediaan bahan bakar fosil, dimana jumlah kendaraan yang semakin banyak sedangkan ketersediaan bahan bakar fosil semakin menurun yang mengakibatkan harga bahan bakar tersebut terus meningkat dan semakin sulit untuk diperoleh. Solusi yang paling tepat untuk permasalahan tersebut diatas ialah dengan mencarikan/ mengembangkan sumber energi altenatif ataupun sumber energi yang tidak berasal dari fosil. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat dikembangkan dalam kendaraan adalah VEH (Vibration Energy Harvesting) yaitu alat pemanen energi yang memanfaatkan getaran pada kendaraan terutama pada sistem suspensi. Sejauh ini mekanisme VEH yang dilakukan adalah dengan membuat regenerative shock absorber (RSA), dimana akan dihasilkan listrik akibat gerak relatif antara suspensi dengan bodi kendaraan. Regenerative shock absorber telah banyak dikembangkan diberbagai universitas - universitas termasuk di ITS. Regenerative shock absorber yang telah dibuat oleh mahasiswa ITS sebelumnya adalah dengan memanfaatkan gerak translasi pada suspensi untuk kemudian dirubah menjadi gerak rotasi untuk memutar generator dan menghasilkan listrik. Pada tugas akhir ini akan dikembangkan regenerative shock absorber yang telah dibuat oleh mahasiswa ITS sebelumnya dengan cara mengkombinasikan viscous damper pada regenerative shock absorber sehingga akan diper oleh shock absorber dengan kenyamanan yang lebih baik. II. TINJAUAN PUSTAKA Getaran dapat didefenisikan sebagai gerakan bolak-balik suatu benda dari posisi awal melalui titik keseimbangannya. Getaran dikelompokkan menjadi getaran bebas dan getaran paksa. Getaran bebas terjadi jika sistem berisolasi karena gaya yang ada dalam sistem itu sendiri. Sedangkan getaran paksa terjadi bila suatu sistem dipengaruhi oleh gaya dari luar Gambar 1 Model getaran pada susupensi kendaraan [1]
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) ISSN: 2301-9271 2 Frekunsi eksitasi yang terjadi pada kendaraan dihitung dengan persamaan berikut: ω=2 π f (1) Dimana : Keterangan: ω : frekuesni eksitasi (rad/s) f : frekuensi (rev/s) V : kecepatan kendaraan (km/jam) λ : panjang gelombang jalan (m) f= V (2) Frekunsi natural yang terjadi pada kendaraan dihitung dengan persamaan berikut: ω n k m : frekuensi natural : konstanta pegas : massa kendaraan ω n = (3) Rasio frekuensi hitung dengan persamaan berikut : r : rasio frekuensi r = (4) Amplitudo dari kendaraan yang terjadi akibat pengaruh dari bump jalan dihitung dengan persamaan berikut : X : amplitude kendaraan (m) Y : bump dari jalan (m) ζ : dumping rasio = ( - ) (5) Tabel 1 Reaksi kenyamanan terhadap percepatan ISO 2631 [4 ] No Getaran Keterangan 1 A < 0.315 m/s 2 Tidak ada keluhan 2 0.315 m/s 2 < a < 0.63 m/s 2 Sedikit tidak nyaman 3 0.5 m/s 2 < a < 0.1 m/s 2 Agak tidak nyaman 4 0.8 m/s 2 < a < 0.1.6 m/s 2 Tidak nyaman 5 1.25 m/s 2 < a < 2.5 m/s 2 Sangat tidak nyaman 6 a> 2 m/s 2 Amat sangat tidak nyaman III. A. Metode Penelitian METODOLOGI Tahapan penelitian untuk pengembangan Hybrid Shock absorber dilakukan dengan tahapan berikut : 1. Studi literature 2. Perancangan mekanisme Hybrid Shock 3. Proses manufaktur 4. Pengujian viscous damper pada Hybrid Shock 5. Pengolahan data hasil pengujian 6. Kesimpulan B. Perancangan Hybrid Shock Rancangan dari pengembangan Hybrid Shock ditunjukkan pada gambar di bawah ini : Koefisien redaman shock absorber dihitung dengan dengan persamaan berikut : Cd : koefisien redaman (N/m) F : gaya redaman (N) v : kecepatan eksitasi (m) Cd = (6) Standart kenyamanan dan keamanan dari suatu shock absorber disajikan dalam tabel dan berikut ini : Gambar 2 Design Hybrid Shock
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) ISSN: 2301-9271 3 C. Pengujian Koefisien Redaman Hybrid Shock Skema pengujian koefisien redaman Hybrid Shock ditunjukkan pada gambar di bawah ini : E. Pengujian Mekanisme Elektromagnetik Hybrid Shock dengan Eksitasi Harmonik Skema pengujian mekanisme HSA dengan eksitasi harmonik ditunjukkan pada gambar di bawah ini : Gambar 3 Skema pengujian koefisien redaman D. Pengujian Mekanisme Elektromagnetik Hybrid Shock dengan Eksitasi Impuls Skema pengujian mekanisme HSA dengan eksitasi impuls ditunjukkan pada gambar di bawah ini : IV. Gambar 5 Skema pengujian mekanisme HSA dengan eksitasi harmonic PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN A. Pengembangan Hybrid Shock Pengembangan yang dilakukan dari Regeneratif Shock generasi ke 4 adalah pada mekanisme redaman yaitu dengan menambahkan viscous damper. Jika pada RSA gaya redaman hanya berasal dari gaya elektromagnetik generator, maka pada Hybrid Shock gaya redaman juga berasal dari viscous damper yang telah diintegrasikan. Di bawah ini adalah gambar viscous damper pada Hybrid Shock. Gambar 4 Skema pengujian mekanisme HSA dengan eksitasi impuls Gambar 6 Viscous damper pada Hybrid Shock
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) ISSN: 2301-9271 4 B. Pengujian Koefisien Redaman Pengujian koefisien redaman dilakukan dengan empat kecepatan eksitasi (0.1 m/s, 0.12 m/s, 0.15 m/s, dan 0.2 m/s). Grafik pengujian koefisien redaman dengan beban 24 ohm ditunjukkan gambar berikut. Dari grafik di atas terlihat bahwa dengan pengujian eksitasi impuls frekuensi rasio 1.4 dan dumpind rasio 0.8 dihasilakn tegangan maksimum sebesar 18.2 Volt. Dan dari hasil perhitungan menggunakan nilai hambatan 24 0hm, maka daya yang dibangkitkan sebesar 13.8 watt. Gambar 7 grafik pengaruh kecepatan terhadap gaya redaman Dari perhitungan data hasil pengujian maka didapatkan nilai koefisien redaman Hybrid Shock sebesar 2930 N/m. Selain itu dari grafik di atas secara umum terlihat bahwa gaya redaman berbending linier dengan kecepatan. hal ini sudah sesuai dengan persamaan (6). C. Pengujian Mekanisme Elektromagnetik Hybrid Shock dengan Eksitasi Impuls Gambar 9 grafik respon getaran damping rasio 0.8 eksitasi impuls Pada grafik diatas respon dari sprung mass di tunjukkan oleh grafik merah sedangkan unsprung mass grafik warna biru. terlihat bahwa nilai percepatan unsprung lebih besar dari pada sprung mass. hal ini karena getaran yang menuju ke sprung sebagian telah terserap oleh system redaman. Dan jika mengacu pada standart ISO 2631, maka percepatan maksimum yang di hasilkan masih pada batas nyaman yaitu sebesar 0.17 m/s 2 (<0.3 m/s 2 ). Pengujian mekanisme HSA dengan eksitasi impuls dilakukan dengan dua nilai dumping rasio ( 0.6 dan 0.8). hasil pengujian dengan frekuensi rasio 1,4 di tunjukkan pada gambar berikut. Gambar 10 Tegangan bangkitan dengan dumping rasio 0.6 Gambar 8 Tegangan bangkitan dengan dumping rasio 0.8 Pengujian dengan dumping rasio 0.6 eksitasi impuls dihasilkan tegangan 17.5 volt dan daya 12.8 watt.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) ISSN: 2301-9271 5 dumpind rasio 0.8 dihasilakn tegangan maksimum sebesar 22 Volt. Dan dari hasil perhitungan menggunakan nilai hambatan 24 0hm, maka daya yang dibangkitkan sebesar 20.2 watt. Gambar 11 grafik respon getaran damping rasio 0.6 eksitasi impuls Dari grafik di atas terlihat percepatan dari unsprung lebih besar dari pada sprung mass. Hal ini disebabkan adanya reduksi getaran. Dan berdasarkan standart ISO, nilai percepatan maksimum masih di bawah pada batas aman yaitu 0.11 m/s 2. D. Pengujian Mekanisme Elektromagnetik Hybrid Shock dengan Eksitasi Harmonik Pengujian mekanisme HSA dengan eksitasi impuls dilakukan dengan dua nilai dumping rasio ( 0.6 dan 0.8). hasil pengujian dengan frekuensi rasio 1,4 di tunjukkan pada gambar berikut. Gambar 13 grafik respon getaran damping rasio 0.8 eksitasi harmonik Pada grafik diatas respon dari sprung mass di tunjukkan oleh grafik merah sedangkan unsprung mass grafik warna biru. terlihat bahwa nilai percepatan unsprung lebih besar dari pada sprung mass. hal ini karena getaran yang menuju ke sprung sebagian telah terserap oleh system redaman. Dan jika mengacu pada standart ISO 2631, maka percepatan maksimum yang di hasilkan masih pada batas nyaman yaitu sebesar 0.23 m/s 2 (<0.3 m/s 2 ). Gambar 12 Tegangan bangkitan dengan dumping rasio 0.8 Dari grafik di atas terlihat bahwa dengan pengujian eksitasi impuls frekuensi rasio 1.4 dan Gambar 14 Tegangan bangkitan dengan dumping rasio 0.6 Pengujian dengan dumping rasio 0.6 eksitasi impuls dihasilkan tegangan maksimum 21 volt dan daya 18.4 watt.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) ISSN: 2301-9271 6 DAFTAR PUSTAKA Gambar 15 grafik respon getaran damping rasio 0.6 eksitasi harmonik Dari grafik di atas terlihat percepatan dari unsprung lebih besar dari pada sprung mass. Hal ini disebabkan adanya reduksi getaran. Dan berdasarkan standart ISO, nilai percepatan maksimum masih di bawah pada batas aman yaitu 0.22 m/s 2. [1] Zuo, Lei dkk. 2010. Design And Characterization Of An Electromagnetic Energy Harvester For Vehicle Suspension. New York State University, USA. [2] S. Rao, Singiresu. 2004 Mechanical Vibration Fifth Edition. Prentice Hall PTR. Singapore. [3] Prof. Ir. I Nyoman Sutantra, M.Sc, Ph.D dan Dr. Ir. Bambang Sampurno, MT., Teknologi Otomotif Edisi Kedua.Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia. [4] International Organization for Standardization, Mechanical vibration and shock evaluation of human exposureto whole body vibration part 1: general requirements, ISO 2631 V. KESIMPULAN Dari perancangan dan pengujian yang telah dilakukan diperoleh beberapa kesimpulan yaitu Hybrid Shock menggunakan dua jenis peredam elektromagnetik dan viscous damper, Tegangan maksimum yang dihasilkan sebesar 23 volt, koefisien redaman metode pembebanan dengan hambatan 5 ohm sebesar 2465.5 Ns/m, dengan hambatan 17 ohm sebesar 2652 Ns/m, dan dengan hambatan 24 ohm sebesar 1721 Ns/m., koefisien redaman HSA pengujian di PT.KAYABA dengan hambatan 24 ohm sebesar 2930 Ns/m, dengan hambatan 17 ohm sebesar 3278 Ns/m, dan dengan hambatan 5 ohm sebesar 2453 Ns/m, egangan dan daya bangkitan maksimum dengan koefisien redaman 2453 N s/m metode eksitasi impuls berturut-turut sebesar 19 volt dan 15 watt, tegangan dan daya bangkitan HSA dengan koefisien redaman 2453 N s/m metode eksitasi harmonic berturut turut sebesar 23 volt dan 22 watt. UCAPAN TERIMA KASIH Dalam penulisan tugas akhir ini tidak sematamata karena kemampuan penyusun, melainkan karena adanya bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini saya ucapkan terima kasih kepada PT. KAYABA atas bantuannya dalam pengujian koefisien redaman Hybrid Shock