JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
1
Analisa Kestabilan Arah pada Kendaraan Formula Sapu Angin Speed Berdasarkan Variasi Posisi Titik Berat, Kecepatan dan Tes Dinamik Student Formula Japan 2013 Deni Rizal Kaunang dan Agus Sigit Pramono Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak— Student Formula 2013 adalah ajang kompetisi yang menantang seluruh mahasiswa di penjuru dunia untuk mendesain, membuat dan memasarkan kendaraan jenis formula. Dalam kompetisi tersebut, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya menjadi partisipan dan akan merancang mobil formula yang bernama “Sapu Angin Speed” dengan menggunakan mesin berkapasitas 600 cc dan daya 100 hp. Dalam merancang suatu kendaraan untuk mengikuti serangkaian tes dinamik pada kompetisi Student Formula Japan 2013, perlu dipersiapkan kemampuan manuver mobil yang aman dan handal. Pada tugas akhir ini dilakukan analisa kestabilan arah kendaraan berdasarkan variasi posisi titik berat. Rancangan posisi berat yang digunakan terdiri dari tiga jenis yaitu : posisi titik berat tepat di tengah (50 : 50), bergeser ke depan (40:60), dan bergeser ke belakang (60:40). Kemudian dianalisa dari ketiga posisi titik berat berdasarkan nilai understeer index (Kus) terendah dan mengalami kondisi understeer. Setelah dipilih rancangan posisi titik berat yang paling optimal, selanjutnya dianalisa dengan variasi kecepatan. Analisa kestabilan arah dilakukan pada kecepatan 20 km/jam sampai 80 km/jam dengan sudut belok (δ f ) 10 sampai 300 . Berdasarkan hasil analisa tersebut, kemudian disimulasikan pada masing-masing lintasan di kompetisi Student Formula Japan 2013. Dari hasil analisa ini didapatkan posisi titik berat yang paling optimal yaitu posisi titik berat tepat di tengah (50:50), karena memiliki nilai understeer index (Kus) yang terendah dan kondisi understeer. Kecenderungan terjadi understeer karena sudut slip depan lebih besar dari sudut slip belakang. Di samping itu, ada kecenderungan roda 2 terangkat dan skid. Hasil dari simulasi di lintasan tes dinamik diperoleh total waktu tempuh pada kisaran 880,074 s sampai dengan 909,144 s Kata Kunci— Manuver, Understeer index, Understeer, Skid
I. PENDAHULUAN Otomotif adalah ilmu yang mempelajari tentang transportasi darat yang menggunakan mesin. Perkembangan dunia otomotif dari tahun ke tahun meningkat secara signifikan. Indonesia adalah salah satu negara berkembang dan berupaya untuk berpartisipasi aktif dalam perkembangan otomotif dunia. Student Formula 2013 adalah ajang kompetisi yang menantang seluruh mahasiswa di penjuru dunia untuk mendesain, membuat dan memasarkan kendaraan jenis formula. Dalam kompetisi tersebut, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya menjadi partisipan dan akan merancang mobil formula yang bernama Sapu Angin Speed dengan menggunakan mesin berkapasitas 600 cc. Di samping itu, pada kompetisi tersebut terdapat tes dinamik yang terdiri dari acceleration test, skid pad, autocross, efficiency, dan endurance, di mana faktor keamanan dan kenyamanan penumpang adalah hal yang sangat penting. Salah satu faktor krusial yang
mempengaruhi keamanan dan kenyamanan kendaraan terletak pada sistem kemudi ( steering system). Dalam merancang suatu kendaraan untuk mengikuti serangkaian tes dinamik pada kompetisi Student Formula Japan 2013, perlu dipersiapkan kemampuan manuver mobil yang aman dan nyaman. Tetapi dalam mempersiapkan hal tersebut, akan menemui kendala. Pada saat pengemudi memberikan sudut belok tertentu pada kemudinya, yang akan terjadi pada kondisi riil adalah tidak selalu sudut belok nyata mobil sama dengan sudut belok yang diberikan oleh pengemudi. Suatu kondisi di mana sudut steer yang diberikan oleh pengemudi sama dengan sudut steer yang dialami oleh mobil dinamakan kondisi ackerman/ ideal. Akan tetapi kondisi tersebut sangat sulit tercapai. Pada kondisi riil, mobil berbelok dengan kecepatan belok dan radius belok tertentu akan mengalami kondisi Oversteer dan understeer. Oversteer merupakan suatu kondisi saat roda depan mobil mengalami skid. Sedangkan understeer merupakan kondisi roda belakang mobil mengalami skid. Skid adalah reaksi dari gaya sentrifugal mobil yang timbul karena mobil melakukan gerakan belok dan kecepatan dan radius belok tertentu. Oversteer dan understeer merupakan indikasi terjadi ketidakstabilan pada mobil. Kestabilan kendaraan akan mempengaruhi keamanan dan kenyamanan penumpang dalam mengendarai kendaraan. Dalam tugas akhir ini, dilakukan analisa tentang kestabilan arah gerak belok kendaraan pada mobil formula. Sehingga sistem kemudi dapat dikembangkan untuk mendapatkan kemampuan manuver mobil yang handal, aman, dan nyaman. Sehingga, dapat memperoleh hasil yang maksimal di tes dinamik pada kompetisi Student Formula Japan 2013.
II. METODE PENELITIAN Pada penyusunan Tugas Akhir ini prosedur penelitian dilakukan dalam empat tahap. Tahap awal, melakukan analisa – analisa dengan sumber studi literatur terhadap buku, jurnal dan penelitian terdahulu tentang kestabilan arah kendaraan. Tahap selanjutnya adalah penentuan objek mobil yang akan diteliti, dalam hal ini mobil yang akan diteliti adalah rancangan mobil formula SAPU ANGIN SPEED untuk kompetisi Student Formula Japan 2013. Data rancangan spesifikasi mobil Sapu Angin Speed model formula dengan massa total 350 kg dengan penumpang 1 orang, jarak antar sumbu roda (wheelbase) sebesar 1650 mm, lebar track (trackwidth) dan tinggi sebesar 1122,7 mm. Kemudian pada tahap ketiga, setelah didapat rancangan data
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 spesifikasi dari kendaraan formula SAPU ANGIN SPEED dilakukan analisa kestabilan arah pada variasi posisi titik berat kendaraan pada posisi 50:50 (tepat di tengah) , 40:60 (bergeser ke kiri), 60:40(bergeser ke kanan). Tahap ke empat, dilakukan analisa kestabilan arah . Analisa kestabilan arah yang dilakukan berdasarkan variasi kecepatan dan sudut belok kendaraan. Analisa tersebut untuk mengetahui apakah kendaraan mengalami skid atau guling. Dari analisa tersebut , kemudian dilakukan simulasi pada lintasan tes dinamik Student Formula Japan 2013 sehingga dapat mengetahui radius belok , kecepatan optimum yang digunakan serta waktu tempuh. Penentuan rancangan posisi titik berat kendaraan dilakukan berdasarkan posisi longitudinal titik berat kendaraan dan posisi tinggi titik berat kendaraan. Mengacu pada data vehicle handling performance analysis[1] , diperoleh rancangan posisi titik berat sebagai berikut. Tabel 1. Rancangan posisi titik berat Variasi posisi titik berat 50:50 40 : 60
Posisi titik berat a 0.825 m 0.66 m b 0.825 m 0.99 m h 0.35 m 0.31 m Keterangan : a = jarak dari pusat berat ke poros roda depan b = jarak dari pusat berat ke poros roda belakang h = tinggi titik pusat berat
2
Selanjutnya menghitung gaya-gaya dan momen yang ada pada kendaraan saat melakukan gerakan belok.
rc
Gambar 3. Gaya-gaya dan momen kendaraan berbelok [5]
Persamaan yang diperoleh untuk menghitung gayagaya dan momen adalah sebagai berikut ;
60:40 0.99 m 0.66 m 0.29 m
Setelah diperoleh besar gaya-gaya dan momen yang bekerja pada saat berbelok, akan dilakukan analisa skid. Adapun analisa skid ini ditunjukkan seperti gambar di bawah ini.
Adapun rancangan posisi titik berat dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 4. Analisa skid dengan menggunakan model sepeda [3]
Sehingga diperoleh persamaan untuk mengetahui skid pada roda depan dan belakang. Gambar 1. Rancangan posisi titik berat
Setelah menentukan posisi titik berat yang optimal, selanjutnya mengetahui perilaku belok ackerman (Rack) dan sudut side slip (β) seperti pada gambar di bawah ini.
=
(roda depan)
=
(roda belakang)
Selanjutnya, menghitung gaya-gaya reaksi yang diterima oleh ban pada arah x,y, dan z seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 5. Gaya pada x dan y [3] Gambar 2. Kinematika kendaraan belok tanpa sudut slip [2].
Sehingga ddiperoleh persamaan sebagai berikut.
R ack =
57,29
Gambar 6. Gaya pada arah z [3]
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
3
Persamaan yang diperoleh adalah sebagai berikut. Bilamana nilai Kus positif menunjukkan kendaraan mengalami understeer. Sebaliknya, jika Kus negatif kendaraan mengalami oversteer. Hasil yang diperoleh akan dipergunakan pada lintasan tes dinamik. III. HASIL DISKUSI A. Penentuan Rancangan Posisi Titik Berat Kendaraan Posisi titik berat optimum pada posisi 1 (50:50). Posisi tersebut tepat di tengah kendaraan. Seperti yang ditunjukkan pada grafik di bawah ini.
Setelah didapatkan gaya-gaya yang diterima ban, langkah selanjutnya adalah menganalisa guling kendaraan. Kendaraan mengalami guling jika kedua roda terangkat (Fzi= 0). Seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 8. Grafik δf vs Kus pada posisi titik berat 1
Dari grafik tersebut menunjukkan posisi titik berat 1 mempunyai nilai Kus yang rendah dan kecenderungan terjadi understeer. Oleh sebab itu, posisi titik berat 1 adalah posisi titik berat yang optimum. Gambar 7. Kendaraan mengalami guling.
Kemudian menghitung sudut slip pada kendaraan. Kendaraan Sapu Angin Speed ini menggunakan ban radial gundul. Oleh sebab itu, menggunakan persamaan sudut slip untuk ban radial gundul [4].
B. Analisa Stabilitas Arah Berikut ini adalah grafik hasil perhitungan stabilitas arah pada kecepatan 20 km/jam sampai dengan 80 km/jam.
Keterangan :
α rg = sudut slip ban radial gundul = C rb = C rg = C rp C rs = P = tekanan ban (psi) P s = tekanan ban standar 25 psi C rx
=
C ro
=
(a)
Persamaan untuk menghitung kekakuan vertikal ban radial dan dorongan camber ban [4]. = (kekakuan vertikal)
F yγ =0,643+3,45(γ)–0,0747(γ)2 (dorongan camber ban) Untuk mengetahui perilaku belok kendaraan, dapat diketahui dengan menghitung nilai Understeer index (Kus) sebagai berikut.
(b)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
(c)
4
(g) Gambar 9. Grafik stabilitas arah pada posisi 1 kecepatan 20 km/jam sampai 80 km/jam
Berdasarkan grafik di atas, menunjukkan semakin besar kecepatan belok dan sudut belok kendaraan, maka sudut slip yang terbentuk akan semakin besar. Besarnya sudut slip pada roda 1 dan 2 selalu lebih besar daripada roda 3 dan 4, karena Fy terbentuk akibat gaya normal lebih terpusat pada roda 3 dan 4 sehingga sudut slip yang terbentuk pada roda 1 dan 2 menjadi lebih besar. Kecenderungan terjadi understeer semakin besar. Kendaraan memiliki grafik stabil pada kecepatan 20 km/jam, dan kecenderungan roda terangkat dan skid pada kecepatan 30 km/jam. (d)
C. Simulasi pada Lintasan Tes Dinamik Pada simulasi ini dilakukan dengan asumsi kendaraan mengalami perlambatan dan percepatan serta kondisi kendaraan tidak mengalami kendala. Adapun hasil dari simulasi diperoleh hasil sebagai berikut. No 1 2 3 4
(e )
5
Tabel 2. Kecepatan, sudut belok (δf), Rn, dan waktu tempuh Jenis V δf Rn T Lintasan (km/jam) (0) (m ) ( detik) Melingkar 30 12 8,04 6,03 radius tetap Skid-pad 4 40 11 8,88 20,08 laps Acceleration 80 4,884 Autocross Lurus 45 8 12,19887 3,06 Belokan 50 7 13,98343 1,58 konstan Belokan 25 21 4,406918 1,99 putar balik Slalom 25 10 / 22 4,4 / 5,22 / 9,56 5,69 Endurance Lurus 50 6 16,24911 609,774 Belokan 25 6 16,24911 40,7 konstan Belokan 25 21 4,611968 2,08 putar balik Slalom 25 / 35 7,21 / 5,08 / 1,55 / 18,7 13,7 1,68
IV. KESIMPULAN (f)
Dari analisa yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Didapatkan grafik α 1 , α 2, α 3, α 4 VS δ f , α f ,α r VS δ f dan Kus VS δ f dan diperoleh hasil analisa sebagai berikut : a. Berdasarkan hasil analisa dari ketiga posisi titik berat , posisi titik berat 1(50 :50) yang terletak di tengah merupakan posisi titik berat yang paling optimal karena
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271
2.
mempunyai nilai undetsteer index (Kus) yang terendah dan kecenderungan mengalami understeer di setiap variasi kecepatan. b. Semakin besar kecepatan belok dan sudut belok dari kendaraan, maka sudut slip yang terbentuk akan semakin besar. Dengan penambahan beban, letak dari CG (Center of Grafity) akan bergeser. Apabila semakin bergeser ke depan, kendaraan cenderung lebih understeer. Apabila penambahan beban mengakibatkan titik CG bergeser ke belakang , kendaraan cenderung menjadi lebih oversteer. c. Besarnya sudut slip pada roda 1 dan 2 selalu lebih besar daripada roda 3 dan 4, karena F y yang terbentuk akibat gaya normal lebih terpusat pada roda 3 dan 4 sehingga sudut slip yang terbentuk pada roda 1 dan 2 menjadi lebih besar. d. Kecenderungan terjadi understeer semakin besar karena sudut slip roda depan lebih besar dari sudut slip rata-rata roda belakang. e. Kendaraan memiliki grafik paling stabil pada posisi 1 dengan kecepatan = 20 km/jam. Hal ini dimungkinkan karena pada kondisi tersebut sampai pada sudut 300 dari keempat roda belum ada yang mengalami skid dan terangkat. f. Kecenderungan roda 2 terangkat dan skid dengan sudut terbesar adalah pada sudut 240, dicapai pada posisi 1 kecepatan 25 km/jam. Sedangkan pada kecepatan 80 km/jam kecenderungan kendaraan untuk tidak stabil sangat tinggi dapat dilihat bahwa pada kecepatan tersebut mulai terjadi kendaraan guling pada kisaran 40 . Memperoleh kecepatan, sudut belok dan radius belok yang optimum pada setiap lintasan pada tes dinamik Student Formula Japan 2013. DAFTAR PUSTAKA
[1] [2]
[3]
[4]
[5]
Crolla, David. 2009. Automotive Engineering Powertrain, Chassis System and Vehicle Body. USA: ELSEVIER Fitrawan, M, Ashadi.2012. Analisa Steering Lingkage pada INKA GEA dan Stabilitas dengan Variabel Kecepatan, Sudut Belok terhadap Beban Muatan dan Posisi Muatan. Teknik Mesin ITS Surabaya. Hidayatullah, Taufiq. Analisa Sudut Belok Roda Belakang Sebagai Fungsi Sudut Belok Roda Depan dan Kecepatan pada Kendaraan Mini 4 WS. Teknik Mesin ITS Surabaya Popa, Christina.2005. Steering System and Suspension Design for 2005 Formula SAE- A Racer Car. Universty of Southern of Queensland Faculty of Engineering and Surveying Sutantra N & Sampurno B. 2010. Teknologi Otomotif Edisi Kedua. Surabaya: Guna Widya
5
