Desain Rangka Kendaraan Formula Student
ditulis oleh
Ignatius Edwin
Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia
Edisi Pertama
diterbitkan oleh nulisbuku.com
Pengantar Sepanjang sejarahnya, Indonesia memang belum pernah dikenal sebagai negara industri; tidak seperti negaranegara Eropa seperti Jerman, ataupun negara Asia lainnya seperti China, Korea Selatan, Jepang. Suatu negara baru bisa dikatakan sebuah negara industri apabila negara tersebut telah memegang kendali atas salah satu hal yang paling penting, yakni ilmu merekayasa/ilmu keteknikan. Atau jika dalam bahasa Inggris, bisa dikatakan pemahaman akan engineering knowledge. Tapi sebenarnya Indonesia bisa dikatakan ‘unik’ dalam kiprah ilmu merekayasa ini. Anda tahu dengan Sosrobahu? Benar, teknik konstruksi jalan ini diciptakan oleh orang Indonesia, yakni Ir. Tjokorda Raka Sukawati. Teknik konstruksi ini sudah diakui di dalam negeri dan di luar negeri, salah satunya dalam pembangunan jembatan di Seattle, USA. Perlu contoh lainnya? Kita bisa melihat apa yang dilakukan mantan presiden kita, B.J. Habibie, saat bekerja di Messerschmitt-Bölkow-Blohm. Disana lahir Teori Habibie, Koefisien Habibie, dan Metode Habibie, yang dirujuk oleh Airbus dan Boeing untuk pembuatan pesawat terbang, dan juga dirujuk pada jurnal-jurnal ilmiah, sampai sekarang. Kemudian bagaimana dalam bidang otomotif? Singkatnya, belum pernah diperhatikan secara serius. Ya, benar, ada proyek-proyek mobil nasional yang pernah muncul kemudian redup, hanya sekadar menjadi konsep, hanya menjadi ajang unjuk gigi. Sempat populer mobil Timor yang sebenarnya adalah rebadge dari mobil Kia yang diimpor dari Korea. Namun dalam beberapa tahun 2
terakhir, muncul hasil karya otomotif dalam negeri seperti Tucuxi dan ESEMKA; dan bahkan salah satu desainer VW Beetle dan VW Up!, Chris Lesmana, adalah orang Indonesia. Daihatsu Ayla ternyata adalah hasil desain Indonesia (diwakili oleh R&D Daihatsu Indonesia), yang dipimpin Mark Widjaja, seorang lulusan ITS. Kemudian saat penulisan buku ini, pemerintah juga menggarap produksi mobil listrik, yang juga memanfaatkan kerjasama dengan universitas-universitas terkemuka di Indonesia, salah satunya Universitas Indonesia. Tapi, dengan segala usaha yang dilakukan, ada satu masalah yang penting: Indonesia belum mempunyai industri otomotifnya sendiri. Entah nantinya akan ada mobil nasional lagi atau tidak, atau mobil tersebut berpenggerak listrik, Indonesia belum mampu berdikari dalam industri otomotif. Mengapa hal ini saya katakan? Indonesia memang merupakan salah satu negara berkembang yang kini statusnya sudah mengarah pada negara industri. Apabila memang terjadi demikian, maka Indonesia perlu bersiap untuk menguasai kemampuan untuk menciptakan industri, yang nantinya bisa bersaing di pasar global. Sebuah kemandirian dalam bidang-bidang industri. Kita lihat saja apa yang sudah terjadi dengan negara lainnya. Contohnya, Korea Selatan kini mampu bersaing dalam industri semikonduktor, melalui merek Samsung dan LG – yang sudah umum kita dengar. Anda bisa mengatakan bahwa ‘Samsung dan LG toh punya pabrik disini? Berarti sebenarnya produk mereka juga buatan Indonesia dong?’ Salah. Memang produk tersebut ‘Made in Indonesia’ dan kemudian diekspor ke negara lain, tapi siapa yang diuntungkan dalam merek itu? Korea Selatan. Yang terkenal siapa? Korea Selatan juga.
3
Masalahnya menjadi makin rumit karena sejak tahun 2015, Indonesia bergabung dalam ASEAN Economic Community, yang artinya Indonesia berada dalam area perdagangan bebas ASEAN (AFTA/ASEAN Free-Trade Area). Baiklah kita berdebat bahwa kita mempunyai banyak produk yang bisa diekspor ke negara lain, dibandingkan negara-negara ASEAN lainnya yang tidak sebesar Indonesia, jadi kita tidak perlu menyentuh sektor otomotif sekalipun ataupun berurusan dengan sektor otomotif, karena sektor ini sudah terlalu padat dan hanya pihak-pihak luar yang bisa menyentuhnya. Sekali lagi, pernyataan ini benar-benar salah, karena Indonesia sebentar lagi akan menjadi pasar otomotif terbsear di Asia Tenggara. Presiden Director dari Tata Motors India pun meyakini hal itu dan bahkan mau merencanakan untuk nantinya memindahkan seluruh produksi mobil mereka di Indonesia. Dengan kompetitor yang semakin banyak dan beragam jumlahnya (bahkan merek-merek seperti Alfa Romeo, Caterham, Renault dan Peugeot kembali ke Indonesia), memang bisa dikatakan pasar otomotif yang dihadapi sudah terlalu ramai. Tapi apakah kita mau terusmenerus dijuluki negara yang konsumtif akan kendaraan? Mungkin kalimat ini terdengar kasar: tinggal terima beres? Ini adalah sebuah kenyataan pahit. Kita memerbolehkan pihak luar untuk menyediakan apapun yang kita butuhkan, padahal sebenarnya kita memiliki kemampuan untuk membuatnya sendiri. Padahal belum tentu kebutuhankebutuhan negara kita mampu disediakan dari pihak luar, namun pada akhirnya kita mengikuti kebiasaan untuk menerima saja. Ini juga terjadi dibidang-bidang lainnya, tidak hanya di bidang otomotif. Contoh yang paling ekstrim, sampai sekarang saja kita masih impor beras dan pangan lainnya. Apakah ini tidak memalukan dari negara yang sebutannya negara ‘agraria’? 4
Mungkin saya perlu menceritakan apa yang terjadi di Inggris. Inggris mungkin belum diakui sehebat Jerman ataupun Jepang dalam membuat mobil. Merek-merek mereka seperti TVR ataupun MG memang tidak terkenal terlalu luas di Eropa; tapi mobil-mobil mereka selalu diingat sebagai mobil yang unik, mobil hasil jerih payah insinyur mereka yang memang ingin menunjukkan ‘Ini adalah hasil karya negara kami’, dan sekaligus menunjukkan kedigdayaan mereka bahkan sampai sekarang. Memang perlu diakui ada merek-merek yang gagal, contohnya Morris (yang dikenal melalui mobil Morris Marina). Tapi apa? Proses trial and error ini ternyata berbuah hasil di kemudian hari, yang seakan-akan ‘memaksa’ peningkatan kualitas produksi dan perakitan pada mobil-mobil lainnya. Contoh nyata lainnya, mobil Jaguar XK120. Pada kenyataannya, mobil itu didesain saat masa-masa Perang Dunia ke-II, digambar malam-malam, dan prototipenya diproduksi hanya dalam 5 hari sebelum London Motor Show 1948. Tapi saat diuji di jalan tol M40 Inggris yang saat itu tidak memiliki batas kecepatan, mobil itu adalah mobil tercepat di dunia saat itu (dengan kecepatan tertinggi 193 km/jam). Dilemanya, akibat mobil tersebut, batas kecepatan harus diberlakukan di Inggris. Tapi mereka mengeluarkan mobil lainnya, Jaguar E-Type, yang bahkan diakui oleh Enzo Ferrari sebagai salah satu mobil paling indah di dunia. Walaupun sekarang Jaguar dimiliki oleh Tata Motors, kehadiran mobil mereka adalah suatu bukti besar bahwa Inggris pernah suatu saat berjaya dan dikenal sebagai pusat otomotif dunia di zamannya, karena dedikasi mereka yang tinggi dalam dunia keinsinyuran, tak terkecuali ilmu otomotif. Aston Martin, Range Rover, Rolls-Royce, merek-merek mobil Inggris ini kini telah diakui sebagai merek-merek premium, yang memang pantas dihargai tinggi. Bahkan adalah Inggris 5
yang pertama kali memopulerkan konsep kit car, mobil yang dapat disusun sendiri seperti mainan, dan bebas pajak. Kenapa? Karena dari dasarnya masyarakat sudah dididik untuk mencintai dunia keinsinyuran, melalui otomotif. Perlu contoh lainnya? Lihat Rusia, Meksiko, Spanyol, dan Korea Selatan. Rusia, bahkan dari sejak awal sebagai negara komunis, sudah lama memiliki banyak perusahaan mobil mereka sendiri, dan sudah menjadi rahasia umum bahwa mobil yang mereka produksi sendiri, mereka pakai sendiri; dan ini tetap bertahan sampai sekarang mereka menjadi negara republik; salah satu contoh yang paling terkenal adalah mobil Lada. Meksiko dan Spanyol, walaupun tidak lebih besar dari Indonesia, bisa mengeluarkan mobil balap Mastretta MXT dan Tramontana, seluruhnya oleh mereka sendiri. Korea Selatan, melalui merek KIA dan Hyundai, kini juga tidak kalah bersaing dengan mobil-mobil Eropa, bahkan beberapa desainernya mampu memenangkan penghargaan Ferrari Design Award. Dan mobil apa yang mereka pakai di negara mereka sendiri? Mobil yang mereka produksi sendiri. Bahkan negara tetangga kita, Malaysia, yang lebih kecil dari Indonesia, punya merek mereka sendiri, Proton (yang mempunyai saham di Lotus dan Mitsubishi), yang bahkan dijual ke Indonesia, yang bahkan dipakai orang Indonesia. Ini menjadi refleksi yang penting bagi kita semua sebagai masyarakat pada umumnya, bahwa adalah sesuatu hal yang penting – dan bahkan sudah saatnya sekarang – Indonesia harus bisa mengembangkan kendaraan merek lokalnya sendiri. Memang, Indonesia adalah negara perairan dan agraris, dan semua orang bisa berdebat mengapa bidang otomotif yang harus diutamakan saat ini. Tapi sebenarnya transportasi di Indonesia juga tidak dapat 6
dikatakan bagus sekali – bahkan di ibukota sekalipun, karena satu hal yang saya yakin hanya terjadi di Indonesia: pemakaian transportasi tidak pada tempatnya. Hal ini saya katakan sebagai golongan pengendara juga: ibukota sudah sesak dengan pembangunan gedunggedung, sementara pembangunan jalan tidak bertambah. Tapi banyak orang yang menggunakan mobil-mobil besar, dan maaf saya harus mengatakan bahwa Toyota Avansa dan Daihatsu Xenia membentuk sebagian besarnya. Tidak sedikit juga yang menggunakan Toyota Land Cruiser (lihatlah televisi Anda dan perhatikan mobil-mobil yang dikendarai oleh pejabat), yang sebenarnya tidak ekonomis dan spesifikasinya ‘berlebihan’ untuk jalanan ibukota. Ini benar-benar menggelikan. Seharusnya untuk ukuran ibukota, mobil yang digunakan juga sesuai; oleh karena itu diciptakanlah segmen city car. Yang lebih aneh lagi adalah mobil-mobil dengan kemampuan off-road tersebut malah tidak dipakai di daerah-daerah terpencil, yang jalannya masih tergolong belum baik. Padahal eksplorasi ke daerah-daerah justru lebih penting untuk keperluan pembangunan negara juga. Oleh karena itu penting untuk menyadarkan bahwa pengunaan kendaraan juga harus pada tempatnya. Namun siapa yang bisa memberikan kesadaran tersebut? Orang Indonesia sendiri. Bagaimana caranya? Salah satunya membuat kendaraan yang sesuai dengan kebutuhan orang Indonesia. Siapa yang tahu kebutuhan kendaraan Indonesia? Orang Indonesia sendiri. Siapa yang bisa menciptakan kendaraan-kendaraan ini? Apakah kita rela memberikan hak tersebut pada orangorang luar negeri? Lalu apa yang bisa dilakukan oleh insinyur-insinyur muda sekarang? Sebagai insinyur masa depan, ilmu-ilmu teknik yang sudah didapatkan nantinya harus diaplikasikan 7
kedalam masalah-masalah dunia nyata, dan salah satu masalahnya baru saja saya ceritakan. Masalah itu harus diselesaikan, dan kini kita tidak boleh tinggal diam saja menerima kompetitor-kompetitor di Indonesia. Dengan kemampuan masyarakat untuk membangun ‘mobil rakyat’ mereka sendiri, masyarakat akan membuktikan bahwa mereka mampu, dan tidak kalah dari negara lainnya, sekaligus membuktikan Indonesia bukanlah lagi hanya sekadar salah satu dari negara berkembang di Asia Tenggara. Walaupun Tucuxi dan ESEMKA tidak berhasil, usaha lainnya harus berlanjut. Dan salah satu usaha yang saya rintis sejak mahasiswa adalah mengembangkan salah satu kompetisi internasional di universitas saya sendiri. Kegiatan mahasiswa itu dikenal dengan Formula SAE. Mengapa Formula SAE dan bukan kompetisi lainnya? FSAE telah mendukung semua mahasiswa otomotif di seluruh belahan dunia oleh satu hal besar: FSAE tidak hanya ‘mendorong’ mahasiswa untuk memanfaatkan ilmu teknik mereka sebaik-baiknya, namun FSAE mendorong mahasiswa untuk memiliki logika yang baik. Logika yang kemudian mampu membawa mahasiswa menjadi lebih besar dari nama ‘maha’-siswanya. Logika yang membuka pikiran mahasiswa, yang kemudian merembet pada hal lainnya, tidak hanya dalam hal rekayasa teknik, tapi juga kemampuan bisnis dan pemasaran. Kompetisi seperti Formula SAE dapat menjamin bahwa semua insinyur yang ikut didalamnya akan berusaha semaksimal mungkin untuk menggunakan seluruh ilmunya untuk membentuk sesuatu yang indah dilihat namun juga berguna. Ilmu seperti ini hanya bisa didapatkan pada kegiatan Formula SAE, dan hanya melalui ilmu praktis inilah penguasaan ilmu otomotif di Indonesia dapat dicapai.
8
Formula SAE (FSAE, atau Formula Student) adalah kompetisi internasional terbesar untuk mahasiswa dalam bidang desain otomotif, yang terdiri atas delapan kompetisi internasional terpisah yang melibatkan total lebih dari 350 tim. FSAE dipisah menjadi dua kelas, Class 1 dan Class 2/Class 3. Tujuan Class 2/Class 3 FSAE adalah untuk mendesain dan memasarkan sebuah mobil kecil bergaya Formula 1; sementara untuk Class 1 mobil yang telah didesain harus diproduksi seluruhnya sampai bisa dijalankan. Mobil tersebut haruslah ditujukan untuk pembalap non-profesional (non-professional weekend autocross/sprint racer). UGM dan ITB telah mengikuti kompetisi ini di tahun 2011, kemudian disusul oleh ITS di tahun 2013. Buku ini saya tulis sebagai studi kasus untuk fondasi awal tim FSAE-UI, karena UI belum pernah mengikuti kompetisi semacam ini. Sebelumnya, saya menyebutkan bahwa penulisan buku ini didasarkan pada skripsi dengan judul yang sama, tapi jangan mengira bahwa buku ini ditulis sebagai sebuah ‘tugas akhir mini’, dan saya juga tidak setuju jika buku ini diposisikan sebagai buku anti-mainstream. Tapi saya ingin menyuguhkan sebuah pandangan idealis yang dimiliki oleh seorang mahasiswa yang mempunyai citacitanya sendiri seperti saya. Dengan semangat tersebut, saya berani menulis buku ini untuk menawarkan pandangan dari sudut pandang lain yang mungkin belum pernah Anda lihat sebelumnya, baik dari pembaca yang sangat awam, ataupun yang sudah sangat ahli. Buku ini juga bukan buku manual super yang bisa mengubah Anda menjadi seorang insinyur dalam sekejap. Saya lebih menyarankan Anda membaca buku ini sebagai sebuah suplemen pemikiran. Oleh karenanya saya tidak bisa menghindar dari kritikan, namun saran-saran juga tidak 9
kalah pentingnya bagi saya – karena pemikiran tidak boleh hanya berhenti pada satu titik, tapi selalu berkembang, dan bahkan berevolusi, menjadi lebih baik. Saya ingin mengutip sebuah kalimat dari buku Against Method yang ditulis Paul Feyeraband: Sesungguhnya, inti rangka pemikiran ilmu pengetahuan adalah kebebasan: cara yang anarkis ini lebih berperikemanusiaan dan lebih mendorong kemajuan dibandingkan dengan cara kaku yang bertumpu pada hukum dan tata tertib. Semoga buku ini menjadi pencerahan bagi kita semua.
Ignatius Edwin
10
Mom and Dad, I do love you both. Both of your blessings complete this book in grace.
11
Daftar Isi Bagian I. Desain Kendaraan 1 Alur Konsep Berpikir Desain Kendaraan .............................. 22 1.1 Studi Standar/Benchmarking ............................................. 23 1.2 Pendekatan Desain ........................................................... 25 1.3 Batasan Desain ................................................................. 26 1.4 Penggambaran Konsep Kendaraan .................................. 27 1.5 Penyesuaian Tinggi dan Postur Pengendara .................... 33 1.6 Pemilihan Posisi Penggerak dan Posisi Mesin .................. 34 1.7 Penetapan Jarak Roda ...................................................... 35 1.8 Penggambaran Bodyshell.................................................. 36 2 Alur Desain Rangka berdasarkan Peraturan FSAE .............. 38 2.1 Susunan Dasar Kendaraan ................................................ 38 2.2 Struktur Dasar Rangka Kendaraan .................................... 40 2.3 Peraturan Mengenai Ruang Pengendara ........................... 43 2.4 Mengenai Desain Sistem Suspensi .................................... 48 2.5 Material Kendaraan ............................................................ 50 3 Kemampuan Diproduksi (Manufacturability).......................... 51
Bagian II. Detail Rancangan Rangka Kendaraan FSAE-UI 4 Struktur Dasar Tiga Dimensi Rangka Kendaraan ................. 53 5 Penyesuaian Tinggi dan Postur Pengendara ........................ 57 5.1 Kesesuaian Boneka Percy dengan Rangka ...................... 58 5.2 Posisi Roda Kemudi sesuai Peraturan FSAE .................... 59 5.3 Pemenuhan Dimensi Minimum, Ruang Dasbor ................. 60 5.4 Pemenuhan Dimensi Minimum, Ruang Pengendara ......... 61 6 Pemilihan Posisi Penggerak dan Posisi Mesin ...................... 62 7 Penetapan Jarak Roda.......................................................... 63 8 Boneka ‘Percy’ sebagai Model Pengendara .......................... 64
Bagian III. Dasar Teori Analisis Kekuatan Rangka 9 Pembebanan Rangka............................................................ 70 9.1 Puntiran Membujur (Longitudinal Torsion) ......................... 71 9.2 Pelengkungan Vetikal (Vertical Bending) ........................... 72 9.3 Pelengkungan Menyamping (Lateral Bending) .................. 73
12
9.4 Deformasi Horizontal (Horizontal Lozenging) ...................74 10 Perkiraan Beban................................................................75 11 Pemilihan Material Rangka ...............................................79 12 Pemilihan Material Lasan ..................................................80 13 Kriteria Pencarian dalam Simulasi Finite Element .............81 13.1 Teori Von Mises/Distortion-Energy .................................81 13.2 Displacement..................................................................85 14 Simulasi Finite Element (Autodesk Inventor).....................86 14.1 Stress Analysis atau Frame Analysis .............................86 14.2 Masukan (Input) .............................................................87 14.3 Menerjemahkan Hasil Simulasi ......................................94
Bagian IV. Analisis Finite Element – Pembahasan 15 Regangan Statik ................................................................97 16 Pelengkungan Vertikal Statik ...........................................100 17 Pelengkungan Menyamping ..............................................103 18 Uji Akselerasi ....................................................................105 19 Uji Getaran ........................................................................107 20 Analisis Formal dalam Peraturan Formula SAE ................110 20.1 Pengujian Main Roll Hoop .............................................111 20.2 Pengujian Front Roll Hoop.............................................117 20.3 Pengujian Impak Samping .............................................123 20.4 Pengujian Front Bulkhead dan Bulkhead Support ........126
Bagian V. Kesimpulan 21 Hasil Desain Rangka .........................................................130 22 Saran.................................................................................132
Bagian VI. Tambahan 23 Daftar Pustaka...................................................................134 24 Hasil Studi Standar dengan Universitas Stuttgart..............137 25 Gambar Teknik Rangka Kendaraan FSAE UI ...................140 Mengenai Penulis ...................................................................141
13
Mengenai Penulis Ignatius Edwin adalah seorang penulis dan mahasiswa di Universitas Indonesia, jurusan Teknik Mesin. Merupakan alumnus SMA Kanisius Menteng Jakarta, pria yang bisa berbicara bahasa Indonesia, Inggris dan Bangka ini sebelumnya telah berkarya dalam buku-buku yang diterbitkan oleh nulisbuku.com. Edwin pernah menjadi ketua tim dalam Program Kreativitas Mahasiswa – Karsa Cipta yang disponsori oleh DIKTI, memelopori sekaligus memimpin tim Bayu Motorsport Formula Student UI, dan juga terpilih untuk mengikuti Procter & Gamble CEO Academy yang pertama di Indonesia.
14
