1
PERANCANGAN MEKANISME UJI KARAKTERISTIK SISTEM KEMUDI Mochammad Reza Pahlevi, Unggul Wasiwitono Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] ABSTRAK-- Sistem kemudi adalah sistem yang berfungsi mengatur arah dan membelokkan kendaraan. Pada dasarnya sistem kemudi haruslah memenuhi prinsip ackerman. Agar sistem kemudi yang dibuat dapat memenuhi prinsip ackerman diperlukan pengujian. Mekanisme uji sistem kemudi adalah alat yang digunakan untuk mengetahui karaktristik sistem kemudi. Perancangan mekanisme uji pada makalah ini merupakan perancangan alat uji dengan skala 1 : 1 atau digunakan untuk menguji system kemudi kendaraan sebenarnya. Perancangan mekanisme ini menggunakan software tertentu dengan permodelan tiga dimensi. Setiap dimensi komponen dan properti material yang digunakan disesuaikan dengan kondisi riilnya Alat ini dirancang dengan memperhitungkan beban maksimal yang terjadi saat kendaraan mengangkut beban maksimal dengan besarnya widthtrack antara 1300mm – 1600mm. Dengan menggunakan mekanisme slot, posisi steering rack dapat diubah sesuai kebutuhan. Sehingga alat ini dapat digunakan untuk mengetahui karakteristik sudut belok yang terjadi akibat perubahan posisi steering rack, perubahan widthtrack dan perubahan beban. Mekanisme uji karaktristik sistem kemudi ini mampu mengukur sudut belok yang terjadi dan mengetahui pengaruh perubahan posisi posisi steering gear dan perubahan besarnya beban terhadap sudut belok ackerman pada sistem kemudi sehingga didapatkan desain sistem kemudi yang ideal. Kata Kunci : Perancangan, Sistem Kemudi, Mekanisme uji
P
erkembangan teknologi yang semakin cepat mendorong manusia untuk mengembangkan produk teknologi yang lebih baik dari sebelumnya. Dalam dunia otomotif khususnya mobil terdapat banyak sistem yang bekerja. Sistem-sistem tersebut bekerja saling berkaitan antara satu dengan yang lain, dan salah satunya adalah sistem kemudi. Tipe dari sistem kemudi mobil ini bermacam – macam tergantung dari jenis kendaraan serta desain dari produsen mobil. Desain dari sistem kemudi ini menentukan tingkat keamanan dan kenyamanan saat berkendara. Karena pada sekarang ini banyak mobil – mobil modern yang mempunyai ban lebar dengan tekanan yang rendah, sehingga mengakibatkan bidang singgung ban dengan permukaan jalan semakin besar, hal ini juga mempengaruhi tenaga yang akan dibutuhkan saat memutar sistem kemudi menjadi bertambah. Pada sistem kemudi tipe rack dan pinion, usaha memutar kemudi dapat dikurangi dengan memperbesar perbandingan gigi (gear ratio) pada sistem kemudi, tetapi ini akan mengakibatkan usaha untuk
memutar roda kemudi semakin besar pada saat kendaraan berbelok, terutama pada belokan tajam. Oleh karena itu, analisa dinamis pada steering diperlukan agar diperoleh desain yang sesuai dengan yang dibutuhkan.Untuk mengembangkan sistem kemudi yang sesuai dengan permintaan perlu dilakukan pengujian baik secara langsung pada kendaraan maupun melalui pengujian laboratorium. Sebuah tren yang penting di industri adalah dengan memanfaatkan lebih dalam ruangan tes laboratorium berbasis peralatan. Pengujian di laboratorium memungkinkan untuk kontrol yang lebih besar di setiap percobaan. Pada artikel ini akan dibahas tentang proses perancangan mekanisme uji karakteristik sistem kemudi yang aplikasinya akan digunakan untuk mengetahui karakteristik sudut belok dari sistem kemudi kendaraan. Artikel ini disusun dengan menitikberatkan proses perancangan mekanisme uji karakteristik sistem kemudi dan pembuatan alat peraga sistm kemudi. Pada artikel ini akan dibahas mengenai tahap-tahap penelitian yang ada pada bagian II. Pada bagian III, akan dijelaskan lebih lanjut mengenai prinsip kerja mekanisme dan kajian terdahulu yang menjadi acuan dalam perancangan. mekanisme uji karakteristik sistem kemudi hasil rancangan penulis akan dibahas pada bagian IV. Bagian V adalah kesimpulan dan saran. II. URAIAN PENELITIAN A. Tahap Perancangan Awal Pada tahap ini, terlebih dahulu dilakukan perencanaan model mekanisme yang sesuai. Model mekanisme nantinya mempunyai tuntutan dapat mengetahui karakter sudut belok yang terjadi pada sistem kemudi kendaraan roda empat . Tahap pemodelan dilakukan dengan aplikasi komputer tertentu, sehingga data yang dihasilkan dapat mewakili kondisi riilnya. B. Tahap Perhitungan Pada tahapan ini dilakukan analisa secara teoritis dari mekanisme uji karakteristik sistem kemudi, terutama perhitungan gaya-gaya yang terjadi. Setelah melakukan tahap perhitungan, rancangan awal yang telah dipilih ditinjau ulang dan diberikan ukuran serta material yang tepat.
2 C. Tahap Analisa Data dan Hasil Setelah melakukan tahap perhitungan, maka didapat hasil data berupa stress maksimum yang terjadi pada tiap komponen. Berdasarkan data tersebut, dilakukan perubahan-perubahan yang diperlukan pada tiap komponen agar mampu mengatasi stress yang terjadi. D. Tahap Perancangan Akhir Komponen yang telah dirancang masing-masing akan dievaluasi dengan ditinjau proses manufaktur atau proses permesinan. Hal ini yang mendasari aktifitas ini adalah apakah komponen yang ada mampu dimanufaktur dengan teknologi yang tersedia. Hasil akhir dari proses permesinan pembuatan komponen adalah proses perakitan semua komponen baik yang telah mengalami proses permesinan maupun komponen-komponen yang sudah standar.
Nilai w didapat dari gaya tumpuan pada tiap roda dimana dalam perancangan ini berdasarkan dinas perhubungan untuk kendaraan jenis pick up mempunyai jenis berat yang di izinkan (JBI) seberat 3 ton. sehingga, ketika mendapat beban penuh sekitar 3 ton maka pusat gravity akan berpusat pada titik tengah dari panjang antara roda depan dan roda belakang. perhitungan manjadi seperti di bawah ini.
Sehingga gaya yang di tumpu tiap roda depan adalah 0.5 W f = 7357.5N dengan angka keamanan sebesar 1,45. Dan besarnya gaya yang dibutuhkan untuk membelokkan roda depan dapat diketahui melalui.
III. DASAR TEORI Tujuan utama perancangan mekanisme uji karakteristik sistem kemudi adalah untuk merancang mekanisme yang dapat mengukur sudut belok yang terjadi pada sistem kemudi dengan melakukan beberapa perubahan parameter, diantaranya perubahan besarnya beban dan perubahan posisi steering gear. Namun sebelum melakukan perancangan terlebih dahulu dibuat permodelan dari sistem kemudi untuk mengetahui gaya yang bekerja. Gaya-gaya tersebut yang nantinya menjdi dasar dalam perancangan mekanime uji sistem kemudi.
Dimana : w = 10668,375 N ; 0,07m ; E= 0,12m sehingga
µ = 0,2 ;
Maka gaya untuk membelokkan roda /0.1 = F w = T w /r k =
B=
N
IV. DESAIN DARI MEKANISME UJI KARAKTERISTIK SISTEM KEMUDI
Gambar 1. Gaya pada sistem kemudi (sumber : Daryoush Safarzadeh “Steer by Switch System Design For Vehicles”)
Komponen utama dari mekanisme uji karakteritik ini adalah sistem kemudi, sistem pengatur beban, mekanisme slot, sensor beban, sensor sudut, sensor torsi dan frame. Pengatur beban yang terhubung dengan sensor beban digunakan sebagai pengganti massa kendaraan dan dapat memberikan beban hingga 750 kg. Mekanisme slot digunakan untuk mengatur posisi steering gear.
Untuk mengetahui besarnya torsi yang dibutuhkan dalam memutar kemudi, terlebih dahulu mencari besarnya torsi untuk membelokkan ban.
µ
Gambar 2. Hubungan antara µ dan E/B (sumber : Parker Hannifin Corporation)
Gambar 3. Desain mekanisme uji karakteristik sistem kemudi
3 Frame merupakan konstruksi yang digunakan sebagai base pemasangan komponen-komponen. Frame dibuat rigid dan dikunci menggunakan baut pada lantai untuk meminimalkan gangguan berupa getaran lain dan defleksi yang tidak dibutuhkan saat pengujian. Cara kerja dari mekanisme uji karakteristik dapat dilihat pada gambar di bawah.
Gambar 5. Alat peraga sistem kemudi
Gambar 4. Cara kerja mekanisme uji dari skema di atas dapat dilihat langkah-langkah pengambilan data. Data pengukuran didapat dengan cara memutar roda kemudi dimana pengaruh perubahan beban dan posisi steering gear menjadi parameter dalam pengujian sistem kemudi ini. Sinyal yang keluar dari sensor kemudian akan diolah oleh hardware arduino, hasil pengolahan sinyal akan ditampilkan oleh komputer berupa angka yang menunjukan besarnya sudut belok, torsi pada kemudi dan beban yang digunakan. Proses kerja dimulai dengan memasang sistem kemudi, kemudian memastikan posisi mula pada sensor sudut menunjukkan angka nol. Setelah pada kedua roda ban diberi beban dengan memutar baut pada sistem pengatur beban. Besarnya beban akan diukur oleh sensor beban dan dapat dilihat melalui komputer. Langkah terakhir adalah memutar roda kemudi untuk mengetahui sudut belok yang terjadi serta besarnya torsi yang dibutuhkan untuk memutar roda kemudi yang akan diperlihatkan melalui komputer. Selain perancangan mekanisme uji sistem kemudi, pembuatan alat peraga sistem kemudi juga dilakukan hal ini bertujuan agar dapat digunakan sebagai alat bantu dalam mempelajari kinematika gerak belok dari sistem kemudi. Alat peraga ini dibuat dengan skala 1 : 2 dan dapat mempresentasikan sudut belok kendaraan. Dimana posisi poros menjadi parameter pengaruh terhadap sudut belok yang terjadi.
Gambar 6. Tampak atas alat peraga sistem kemudi
V. ANALISA PERAGA SISTEM KEMUDI Untuk mempermudah dalam mempelajari karakteristik sudut belok pada sistem kemudi dapat digunakan alat peraga. Pada alat peraga sistem kemudi dilakukan pengukuran sudut belok yang terjadi ketika poros tengah digeser. Pada pengukuran pertama dilakukan ketika shaft berada pada posisi nol (datum), dilanjutkan pengukuran kedua dimana posisi shaft dinaikkan 1cm kearah Y dan pengukuran ketiga pada posisi shaft berada ditarik ke belakang sebesar 1cm pada sumbu Z . Hasil dari pengukuran dapat dilihat sebagai berikut Tabel 1. Pengukuran sudut belok pada alat peraga No
Pergeser an (mm)
1
50
2
100
3
150
4
200
5
0
25
6
300
7
0
35
8
400
Posisi Datum
Posisi shaft pada sumbu Y+1cm
Posisi shaft pada sumbu Z+1cm
Sudut luar (δ o )
Sudut Dalam (δ i )
Sudu t luar (δ o )
Sudut Dalam (δ i )
Sudut luar (δ o )
Sudut Dalam (δ i )
50
60
50
50
50
40
0
0
0
0
0
10
11
10
10
11
80
150
160
150
150
150
140
0
0
0
0
0
20
22
20
20
19
190
240
280
250
300
260
280
0
0
0
0
0
30
35
30
39
31
340
340
450
360
440
370
410
390
590
4 pada sistem kemudi, panjang dari kendaraan dapat mempengaruhi sudut belok kendaraan dimana hal ini terlihat pada rumus kondisi gerak belok ideal (ackerman). Dimana :
(δ o ) = (δ i ) = W = l =
Sudut luar Sudut Dalam lebar track wheelbase / jarak antara sumbu depan roda dengan sumbu belakang roda
berdasarkan rumus di atas dengan memasukkan perbandingan antara widthtrack dengan wheelbase kendaraan dimana perbandingan pada jenis MPV sekitar 0,6 maka didapatkan hasil perhitungan kondisi ackerman seperti pada tabel 4.6
Tabel 2 hasil perhitungan dengan perbandingan W/l = 0,6 No
1 2 3 4 5 6 7 8
Posisi Datum
Posisi shaft pada sumbu Y+1cm
Sudut luar (δo) 5.275 11.155 17.707 24.969 31.279 41.455 48.569 57.588
Sudut luar (δ o )
Posisi shaft pada sumbu Z+1cm Sudut luar (δ i )
5.275 11.155 17.707 24.969 32.921 41.455 52.174
4.1745 8.726 16.341 21.979 31.279 37.982 46.775
Sehingga efek dari w/l terhadap kondisi ackerman dapat dilihat sebagai berikut.
Berdasarkan gambar di atas dapat dilihat hasil pengukuran menunjukkan karakteristik yang berbeda dengan kondisi ackerman (ideal). Pada posisi datum perbedaan yang signifikan terjadi saat sudur luar (δ o ) sebesar 290 dimana tren dari datum menjauhi tren ackerman,
begitu juga dengan posisi Y+1 dan Z+1 perbedaan dimulai sudut luar (δ o ) sebesar 100 namun tren kedaunya selalu mendekati/ sejajar dengan tren ackerman . Hal ini dikarenakan proses pengukuran dilakukan secara manual dengan ketelitian sebesar 10 sedangkan hasil ackerman menggunakan perhitungan rumus ackerman selain itu juga untuk membuat alat peraga sistem kemudi yang mempresentasikan ackerman dengan sempurna sangatlah sulit.
VI. KESIMPULAN Dari proses perancangan alat mekanisme uji karakteristik sistem kemudi dapat disimpulkan sebagai berikut : A. Mekanisme Uji Karakteristik 1. Mekanisme uji karakterisitik ini dapat mengukur sudut belok pada kendaraan dengan skala sebenarnya dengan width track antara 1300mm1600mm dengan beban maksimum sebesar 750 kg. 2. Mekanisme uji karakteristik ini dirancang agar dapat digunakan untuk mengukur pengaruh perpindahan posisi steering gear terhadap sudut belok sehingga hasilnya dapat dijadikan dasar dalam penempatan steering gear yang tepat pada kendaraan. 3. Hasil dari pengukuran Mekanisme uji karakteristik ini nantinya dapat digunakan sebagai dasar dalam merancang sistem kemudi. B.
Alat Peraga Sistem Kemudi 1. Alat peraga sistem kemudi digunakan untuk mengukur karakterisitik sudut belok akibat pengaruh perubahan posisi poros.
DAFTAR PUSTAKA [1]. Sutantra, I.N. dan Sampurno, Bambang. 2010. Teknologi Otomotif Edisi Kedua. Surabaya : Guna Widya. [2]. Safarzadeh, Daryoush. Sulaiman,
Shamsuddin. dkk 2011.Steer by Switch System Design For Vehicles. Malaysia. University of Putra Malaysia. [3]. Kamble, Naresh. dan Saha.S.K 2005.Developing a Virtual Prototype of a Rack and Pinion Steering System. India. Indian Institut of technology. [4]. Ayyash ,Akram. Kharoubi, Ahmad. and Yacoobi, Liela. Autonomous Steering for an SAE Vehicle.Dearborn. The university of Michigan. [5]. R. Bagley, Matthew. 2005. Modeling an Automobile Steering System Using Axiomatic
5 Design’s Design Matrix and the Design Structure Matrix. Cambrige. Massachusetts Institute of Technology. [6]. http://www.abott-mf.com [7]. Bastian, T. Harmes. 2012. Analisa Kinematika Dan Sintesa Mekanisme Sistem Kemudi Kendaraan Multiguna. Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
