IUNI1996 NO.6.T'H.U.
PEMANFAATANHASIL PENELTTIANNTSAINBODI I,]NTIJKPENGAJARANAERODINAMIK Oleh : Budi Tri Siswanto
Abstak Aerodinamikamerupakanmatakuliahbaru pada Kurikulum Jurdik Otomengenai motif 1995yang disesuaikan.Sebagaimatakuliahbaru, pembahasan tahananaerodinammikpada kendaraandan kaitannyadengankonservasienergi, kinerja mesin, sertae$tetikaperlu mendapatporsi yang lebih agar memberikaawawasanyang komprehensifkepadamahasiswaNamunketerbatasankajian teoretik, hasil elaperimenmaupunkomputasi menjadikeudalauntuk mencapaitujuan inr. Upaya untuk mengatasipermasahasil riset eksperimendengan hhan itu dapatditempuhdenganmemanfaatkan Metodaoptimisasi Detil Bodi sebagaibahanajar. Denganmemvariasikan berbagaibennrkbodi kendaraantahap demi tahap, kemudian dicatat perubahan besarnyakoefisien dragnyaakan dapatdiketahui bentuk bodi kendaraan yang optimum. Denganmemanfaatkanhasil riset tersebut,mahasiswadenganmudah dan pengaruhnyaterhadap mengikutiproseSperhituugantahananaerodi-namik tentangtahanatr parameterkendaraaulainnya.Dengancaraitu pembahasan aerodinamik dapat lebih menarik.
A. Pendahuluan Setiapkeudaraanmemiliki ciri, perilaku, dan persyaratanstabilitasaerodinamiktersendiri.Tolok ukur perancangan danoperasikendaraansaat ini antaralain kinerja, efisiensi, estetika,kenyamanandan keamananyang tinggi sertaaerodinamik. Paraahli otomotif sudahmembuktikan bahwa ada kaitan antarapertimbangantahanan aerodinamikkendaraanbermotor dengankonservasi energi. Daya kehuranmesinyang didapatkan melalui prosespembakarandari masukanenergi (antara lain bahanbakar) sebagianbesardipakai untuk mengatasitahananjalan raya, gesekan(alan dan mekanis),danrahananaerodinamik. Salah satu faktor aerodinamik yang saatini sangat diperhatikan dalam rangka penghematan energi dan estetikaadalahtahananaerodinamik. Ketly & Holcombe(1977) telah membuktikan bahwapadakecepaansekitar55 mph, lima putuh persendari total dayakeluaranmesin dipakai untuk mengatasitahananaerodinamik.Sementara pengaruhaerodinamikyangbekerjapadakendaraan dapat dipecahkanmenjadi tiga komponen gaya dan tiga komponenmomen, yaitu : gaya tahanenudan (drag), gayaangkat(lift), dan gaya samping(sideforce), sera momentukik/angguk (bounching),momen tole}n{gawing), daa momen
l4
guling (rolling). Dalam perhitungantahananaerodinamik kendaraan,ketiga gaya dan ketiga momenitu perlu mendapatperhatiandalampeugajarannya. Berbagaipanmeter yang mempengaruhitahanan aerodinamikpada kendaraanbermotor dapat diklasifikasikandalamtiga kelompok: (1) pararneter posisi, yang menyatakankedudukankendaraan terhadapbidangpermukaanjalan sepertisudut serangdan jarak lunas terhadappermukaanjalan, (Z)panmeter fungsional,yang menyatakankondisi bagiankeirdaraanyang mempunyaitugastertentu sepertiradiator terbuka atau terhrtup, lampu tersembulatau tersembrinyi, kacajendela terbuka atautertutup dan sebagainya,(3) parameterbentuk, yang menyatakanbentuk badan kendaraan yangdapatdikuantifikasikan,sepertikemiringan pennukaanatas,jari jari kelengkunganbodi, dan iebagainya.Pengaruhberbagaiparameterini pada tahananaerodinamik kendaraansampaisaat ini hanyadapat dipelajari secaralengkapmelalui pengujianmodel atauskalapenuhdi terowongan uji. Dalam kurikulum PendidikanTeknik Otomotif 1995yangdisesuaikan;matakuliahAerodinamika merupakanmatakuliah baru yang memerlukan pemiliran serius.Keterbatasankajianteoretik, hasil eksperimen,maupunkomputasi,sertasarana
NO.6.Trr.U. JUNI126 (buku, jurnal, hasil-hasilpenelitian) menjadiken(Cd). Makin besarCd. makin besar tahanan dala dalammemberiwawasankepadamahasiswa aerodinamik,mobil makin kurang aerodinamis. dalam mempelajaribahasanbahasandalamsilaDemikian sebaliknya,makin kecil angkaCd, tabus. Salahsatu upayauntuk mengatasipermasa. hanan aerodinamik makin kecil dan mobil akan lahan itu dan memberi wawasanyang lebih kelebih aerodinemis. pada mahasiswaialah dengankajian hasil eksperThhapawal perkembangantahananaerodinaimen untuk bahandiskusi. mik dimulai padaawal abad2O denganusahameDalam indusni ooomotifdi Indonesia,pertimngadopsilangsungberbagaibentuk bodi streambanganaerodinamikmasih menempatiurutan beline dari rekayasaindustri lain sepertiindustri lakang dibanding pertimbanganlain yang telah kapal. torpedo,pesawatterbang.Bentuk-bentuk disebut, namunpengajarantahananaerodinamik kendaraanyang dirancangsangattak cocok dengdan upaya-upayamereduksinyatidak bolehdiabaian kondisi jalan yang adapada saatitu. Kecepatan kan. Analisis tahananaerodinamik(drag) dapat yang dapatdicapaipadasaatiru padajalan yang dilakukan dengancara : 0eoretik,komputasi,dan jelek dan dayamesin yang rendahmenimbulkan eksperimen.Persamaankerja untuk drag ini berbagaimasalahsehinggatahananudarahanya sangatkompleks, penuh denganketidaklinieran memberi efek yang kecil terhadap perubahan karena harus mengikutsertakanefek viskositas, kecepatanmaupunkeiritan bahanbakar. dimanaefek ini bersifat desipatif disampingmeTahapberikutnya ditandai denganusahauntuk nyangkut efek perpindahanpanas,terrnodinamimenerapkanpengetahuanmekanika fluida yang ka, dan distribusi tekanansertaadanyajaraklunas dicapaipadaaerodinamikapesawatterbangpada kendaraan.Metoda teoretik sangatsulit, apalagi' rekayasakendaraan.Tujuannyaadalahmembuat untuk bentuk geometri yang sangatkompleks kendaraanyang aerodinamis.Para perancang (misalnya bodi kendaraan)dan taklurus(nonpesawatterbangmembuatsejumlahbentuk kendastreamline). Biasanyapengajaransecarateoretik raan yang hampir semuanyadapat dijalankandi jalan raya, sepertiWE Lay, E Emerling, dan W denganmelakukanpenyederhanaa:r, misal dengan Rayleigh'sFormula.Sedangmetodekomputasidi Kamm (Hucho,Janssen& Emmelmaw, I975). Indonesiabelrrmada. Programharus dibeli dari Hasil yangpaling besaradalahapayangsekarang luar negeri, harga sangatmahal. Metodayang dikenaldengan"Kamm tail". Suksesini memepaling mungkin dilakukanadalahdenganekspernuhi kebutuhanprinsip kendaraanyang aerodinaimen. Namun saranauji di terowonganangintimis tanpapanjangyang berlebihandan bagian dak dimiliki baik di industri maupuninstinrsipenbelakangyangmemanjang. didikan. Kesulitan ini dapatteratasidenganmeTlrhapketiga, adalahhasil kemajuantahapan manfaatkanhasil-hasil kajian eksperimendari luar sebelumnya.Pengkajiansecaraintensif bentuk negeri untuk meqielaskanpengaruhtahananaerodetil dari keseluruhanbentuk bodi kendaraan dinamik (salah satu parameternyaadalahCd menjadi pilihan utamaagar menjadi lebih memkoefisien drag) terhadapberbagaiparAmetermepunyai karakteristikaliran yang baik, tanpamesin misal kinerja, kemampuanpengendalian,kengorbankanbentuk-bentuktertentu yang sudah iritan bahanbakar dan lain-lain. Cara ini selain streamlineatauaerodinamis.Prosesintensifikasi memerlukanusahayang lebih sedikit dari dua inilah disebut OptimisasiDetil Bodi. Gambar1 juga metoda lainnya, dapat dilakukan padaketermenunjukkan perkembangantrend bentuk bodi batasansaana yangminim. kendaraanpadaketiga tahaptersebutyang dilakukan paraahli. B" PerkembanganPenghitungan TahananAeroBerdasarevaluasistatistik oleh Hucho, Jansdinamik. sen & Emmelmann (1975) dari berbagaimobil Eropa yang diproduksi massaldapat disimpulkan Perkembanganaerodinamik kendaraanberkait bahwadiperlukanpengujiandatatertentujika suadenganstilisisasibodi kendaraan.Hasil yangdatu mobil diperhitungkanakurasi penghitungannipat dicapai ialah dengan"pelancapan"ataupelulai Cd-nya. PenurunanCd pada awal abad20 dan rusan(streamlining),'meski secaraumum masih 0,8 sampaipadaCd - A,46 didorongoleh dua harusdiuji padaproduksi kendaraanyangdilemhal. Pertama,a\tara PerangDunia I dan Perang par di pasaran.Indikator ufamapelancapanini diDunia II dimanadibutuhkan mobil yang paqiang, tunjukkan denganbesarnya Coefisien of Drag rendahdan halus pada detil. Untuk mengurangi
15
TUNI1996 NO.6,TH.U
nilai Cd luasan frontal harus dikurangi, agar reduksi tahananaerodinrmik tercapai. Yangkedua redulsi taharan aerodinamikdapattercapaidengan memperkenalkankendaraannqtch back, fast ba& dansqnre back Qihatgambar2). Dengan mengubahberbagaibentuk dan ukuran bagiantertentu secarabertahap,perubahanCd dicatat. Dari hasil-hasil caatan dapatdilihat bentuk dan ukuran yang maaa yang dapat mengurangi besarnyakoefisien drag. C. Metoda Optimalisasi Detil Bodi Me0odaini dikenalkanoleh VolkswagenWerk AG Jermanberdasarpostulatbahwakonsepperkembangan tahananaerodinamik dapat berjalan tahap demi tahap. Perbaikanaerodinamik dapat diusahakanhanya dalam bentuk perubahandetilnya baik dalam rancanganujung depan(hidung mobil), sayaprecik bawah(spoiler), rangkapenguat kaca, perunrnan sudut atap belakang, dan sebagainyakemudian dilihat pengaruhnyaterhadap penguranganCd maupunkeiritan bahanbakar. Berdasarpenelitian Hucho, Janssen& Emmelmann (1975) yang dilakukan denganmodel skala penuh kendaraanVW 1600X dengandata : daya mobil 55 kW, berat 1060 kg, dan luasan frontal (F) 1,77 m2 dan ban radial didapatdata sebagaiberikut : pada pengendafiBndi kota, penguranganCd bernrut-turut dari 0,5 (basis)ke Cd 0,4, dan Cd 0,3 dapatmenghematbahanbakar 3 di jalan Vo,dan5 %. Sedangpadapengendaraan bebashambatanperubahanCd itu akan menghemat bahanbakar sampai10 dan 22 %. Sementara padamobil dengandesainbodi dari komposit mengambil peran penghematansampai 5 % dan lL %. SeearakeseluruhanperubahanCd signifikan terhadappenghematan(lihat gambar3). Perancanganhidung kendnraan Pengaruhbentukujung depanhidung mobil pada tahananaerodinamikmeqiadi subyekyaqg utama dalam berbagaipenelitian untuk meneapkanseberapa tingkat pengurangantahananaerodinamik yang maksimumdapatdicapaidenganoptimisasi rancanganhidung kendaraan.ProsedurOptimisasi Detil Bodi denganmenghitungpenguranganCd yang terjadi sepertigambar4, penekananutamanya padabentuk mobil ukuran madya. Padabagian kiri dituqjukkan perubahanbentukyang di-
t6
lakukansedangreduksi Cd yang terjadi dapat dilihat padadiagramdi bagiankanan' Denganmemvariasikanperubahan-perubahan detil bodi pada bagian depan kendaraantahap demi tahapdapat disimpulkan bahwa perubahan dari bentukdasar1 denganmelakukanmodifikasi A, A+8, A+B+C, A+B+C+D, dAN A+B+C+ D+ E berturut-turutakanmenurunkanCd 4 %, L3 Vo,17 %, 19 Vo,2l % samBai padabentukoptimum 33 Vo- Dari modifikasi b"otok, nilai yang optimum yang dapatdicapai untuk pengurangantahananas1sdinamiknyasecara bertahapnamunoptimis. Dengankata lain, secarakeseluruhandapatdilakukanpengurangan tahananaerodinamikmeski sedikit-sedikitdengan eksperinenyang teliti. Hasil lain dari konfigurasi Metoda Optimisasi Detil Bodi bagiandepanmobil ini dapatdiperiksa gambar5. pada ^ Perubahandari bentuk dasarke hidung/bodi mobil denganberbagaibentukuntuk mencapai bentukyang optimum- Padagaris yang tebal mengambilurunan untuk reduksi Cd t2 %, kemudianberturut-turut13 %, 13 % dan 14 %' Denganmetodaini dapat dicapaibentuk yang optimum. Dengankata lain pengertianoptimumini merupakanoptimisasiyang praktis yangbisa dilakukanunfuk mendapatkan Cd yang paling rendah. Sebagaicontoh pada pelaksanaanyangsesungguhnyadapat diperiksa pada gambar6' hidung mobil denganpemajuau "Pemancungan" sayaprecik a' serta pemasangan hidung A dan Denganpenambahan recik b. hidung B dan sayap recik pengurangan sayap B tanpa hidung A d"g kombinasiA + dengan Cd hanya4 %, sementara B + b ll dqkombinasi % a, Cd dapatdikurangi bahwa menunjutftan Ini L6 dapatmengurangi % hanya tidak recik sayap pengaruhujung depan aliran penutupan/penyelubungan Lerdasarefek sekecepatan mengurangi bawahbodi (yang akan juga pengaruh tetapi panjangbawahbodi mobil) distribusi dan aliran atasdan aliratasperuUanan an yanglewat sisi sanrpingkendaraan. SaYaPRecik (SPoiIer) Pemasangan Untuk sayaprecik depan,kualitas aliran udara yang melingkupi pada bagial bawah dan ketebalan lapisanbataspada bagian bawah mobil amat peftulan' Efek sayaprecik depanpada ..*ig*g tahanan aerodinanrikdan gaya angkatuntuk mo-
NO.6.TH.V JUNI1996
bil VW coupe 1600X Brasil dapatditihat gambar 7 . Dafi pemasanganberbagai sayaprecik pada berbagaititik dapatdijelaskansebagaiberikut : PadaA, dengansayaprecik 20, 40,60 dibanding tanpasayaprecik terjadi penurunanCd relatifkecil. SedangpadaB, penurunantajam pada sayap recik 40, sementarapada C turun sedikit (pada20) kemudiannaik dengantajam denganpemasangan sayaprecik 40 dan 60. pengaruh penu$angansayaprecik tersebutterhadap koefisien gaya angkat (Cl) dapat dilihat pada gambar7 diagramkiri bawah. Secarasignifikan pernasangan sayaprecik, akan menurunkangayaangkat,sehinggapengendalian kendaraa:rpadajalan raya lebih mantap. Disampingitu sebagaiperbandinganekstrim, dipasangsayaprecik Zs denganpanjang80, 120, dan 160mm. Cd akanbertambah,Cl akan turun drastis. Sedangpadagambar7 diagramkanan bawahdisertakaubesarnyagayaangkatpada3 contoh pemasangan sayaprecik. Tianpasayaprecik, gaya angkatpaling besar,dsn pemasangan K 1.20gayaangkatturun. Nanrundari segipertimbanganestetikasayaprecik K 120ini sangattidak estetik.
lebih kreatif dalammemahamirryaya-upaya peuurunan koefisien drag yang pada akhirnya mempengaruhiterhadapkeiritan bshan balar, estetika maupunkinerja mesin. E. Kesirnpulan Tahananaerodinamikmerupakansalahsatu tolok ukur perancangandan operasikendaraan yang di masa-masa yang akan datangmenempati posisi yang penting. Persamaankerja yang menyangkut tahananaerodinamikmemangkompleks, sehinggadalampengajarannya banyakditemui kendaladiantaranyaketerbatasan kajian teoretik, hasil-hasileksperimenmaupunkomputasi. DenganmetodaOptimisasiDetil Bodi, kajian tahananaerodinamikdan pengaruhnyaterhadap parameterkendaraanlainnva dapat lebih mudah diikuti dan diapresiasioleh nahasiswa. Dengan memanfatkandata-datarisetmengenaihal itu diharapkanbahasanmenjadilebih menarik. DA,F'T'ARBACAA.N : Harijono Djojodihardjo. (1988). FengaruhAerodinemikpadaprestasidxs {inamika kendaraan bermotor.MakalahdisampaikanpadaSimposirrmMahasiswaTeknikMesin III di UI. i 115 April 1988.
Perancanganbagian belakangbodi Salahsatucontohoptimisasibentukbelakang bodi padakendaraannotcbackdapatdilihatpada gambar 8. Terlihat arJanyapengaruhketinggian bagasi(z) terhadapCd. Fadabentuk bagasidasar dengln ketinggian -30 sampai + 100 relatif tidak terjadi perubahanCd. Elevasibodi 100 - tr50terjadi penurunanCd B 7o(dari 0,4 ke 0,3?). Bila bagianbelakangdibuat bentuk sepertiB (station wagon), Cdnya 0,38 lebih tinggr 3 % darr bentuk A meskipunmasih lebih rendahdibandingbentuk dasar.
Hucho, W.H., Janssen,I-.J. & Erunelmann,H.J. (1.975).The Optimizationof Body Details- A Method for reducing the AerodynamicDrag of RoadVehicles.AutomotiveAerodynamics. SelectedPapersthrough 1977. Warrendale: SAE, lnc. Kelly, Kent B. & Holcombe,Hary J. (1977). Aerodynamicsfor Body Engineers.Automotive Aerodynamics.SelectedPapersthrough L977.Wnrendale: SAE, Inc.
D. Fernanfaatannya untuk pengajaran Aerodinamika. Denganpemanfaatanhasil riset eksperimen denganmetodeOptimisasiDetil Bodi sepertidiatas, pembahasantahananaerodinamikmenjadi lebih menarik. Perhitungansecarateoretik yaug amat sukar denganpers:rmaanyang kompleks akan meqiadi mudah dimengerti oleh mahasiswa. Perubahannilai Cd secarabertahapmelalui variasi berbagaibentukakandiapresiasimahasiswa denganantusias.Wawasarmahasiswaakanmenjadi bertambahdan behl€n tidak mustahilmenjadi
Wong, J. Y. (1978). Teoryof Ground Vehicles. New York : John Wiley & Sons.
T7
NA6.TH.U. TUNI1996
ffiffi
Shipb Stem
AirshiP -
ffi-
GI
\-
EFl*
E
o =PF
C'
o
I
:Rt
p o
3trconltred HY ss=O!5
Yeor of Design
.: E o o
drag pengeranEa* 8*elar?. Per!*ab*ngaa iela0* ilalaabeberr.Pr
o
tren{ beatutbsili }*nilaraan fiaabar1. $erlenbmgan
=-12oh = -13'/o
=-13Vo
tabap6e*i tahr$ €acbrr{, Co*tob wtl€a Sptlaisar!$ttil $CIdl
fd gaiabelritanhahel ]. Sfekpeagurangaa Gaeb*r batarPr&ale:brqaiP*genilaraan
18
NO6.TH-U,tUM 1996
I
.( l -13l-r7l-r9 - ? 1
e
€ €
c o C
F o
Cr D E tofm rFdiftsotions
E q o
S**.t*r$. €enrigurasi hldalg*+hii r*trk eeeees! &entehyaxgopeieu*
?. $eneliileric*tak eeeada&a* Sa*bae bideng d*ti s;*:lex p*d"ra+i;i3.**li;'*
@.@l@"@
Sam3lar $, &e*a6*hae &i€eag *aeepeiler*e$itr
Sas*aig. Tajlan;i* tifreca &*l slrv;i.Elb+ltni b*gae i
T9
