PERANCANGANULANG SEPEDAELEKTRIK MENGGUNAKAN MBTODB VDI 222I Agustinus Purna lrawanr, Dedy A. Sirahar' dan Jasson Sugandys
ABSTRAK Sepedamerupakansalahsatu alat transportasiyang cukup murah, mudah dikendarai,tidak menggunakanbahan bakar minyak dan ramah lingkungan. Disamping sebagaialat transportasi,sepedajuga dapat digunakan sebagai saranaolah raga, sehingga banyak digunakan oleh masyarakat dari berbagai kalangan. Sebagai salah satu alat transpoftasi,sepedadapat dimodifikasi sedemikianrupa sehinggadapat digunakan untuk jarak yang cukup jauh, tanpa menghilangkan sifat riranualnya yaitu digerakkan dengan cara dikayuh. Dua sistem penggerak dapat dipasangpada sepeda,sehinggamemiliki dua pilihan. Makalah ini membahasperancanganulang sepedamanual menjadi sepeda elektrik dengan metode VDI 2221. Pembahasanmeliputi metode pemilihan penggerak, komponen, pembuatan prototipe dan pengujian lapangan. Hasil perancanganulang diperoleh prototipe sepeda elektrik dengan dua sistem penggerak yaitu manual dan elektrik dengan bantuan motor listrik. Hasil pengujian prototipe menunjukkan bahwa sepeda dapat berjalan cukup baik tetapi masih perlu perbaikan dan penyempurnaanlebih lanjut. Kata kunci : perancangan,sepedaelektrik, metode VDI2221
I. PBNDAHULUAN Alat transportasi merupakan suatu kebutuhan yang sangat penting bagi semua lapisan masyarakat,terutamayang memiliki mobilitas yang tinggi. Saat ini banyak alat transportasi telahtersediabaik yang menggunakanmesin sepertimobil, sepedamotor, kereta api, pesawat terbangmaupunyang manual sepertisepeda,becak dan alat transportasitradisional. Sepedamerupakan salah satu alat transportasi yang digunakan untuk jarak yang cukllp dekat. Keuntungan dari alat transportasi tradisional seperti sepeda ini adalah murah, mudah dikendarai, tidak menggunakanbahan bakar minyak, mudah dan murah dalam perawatannya, serta ramah lingkungan. Disamping sebagai alat transportasi, sepedajugu dapat digunakan sebagaisaranaolah raga, sehinggabanyak digunakan oleh masyarakat dari berbagai kalangan. Sepedabiasanya digerakkan dengan cara diengkolidikayuh dengan menggunakan kaki. Gerakankinematik engkol kemudian diteruskan ke roda belakang dengan banhtan rantai dan roda gigi. Mekanisme gerakanini mampu menjalankansepedadengancukup baik padajarak dekat danjalan datar.Untuk jarak yang cukup jauh denganjalan yang tidak datar,pengendara sepedatersebut dapat merasakankelelahan. Diperlukan mekanisme tambahan pada sepeda agar dapat digunakan dengan lebih nyaman dengan jarak tempuh yang cukup jauh, tanpa merasakankelelahanyang berarti bagi pengendara. Berdasarkanlatar belakangtersebut,maka dilakukan perancanganulang sepedamanual yang digerakkan dengan cara dikayuh menjadi sepeda elektrik yang digerakkan dengan ' Staffpengajar Tarumanagara Jakarta JurusanTeknikMesin FakultasTeknikUniversitas 2AlumniJurusanTeknikMesinFakultasTeknik UnivenitasTarumanagara Jakarta I AlumniJurusanTeknikMesinFakultasTeknik UnivenitasTarumanagara Jakarta
283
bantuan motor listrik tetapi tetap dapat dikayuh. Hasil perancanganulang kemudian dibuat prototipenyadan dilakukan pengujian apakahhasil prototipe tersebutdapat berfungsi dengan baik. Metode perancanganyang digunakanadalahmetodeVDI 2221.
TI. METODE PERANCANGAN
VDI 222I
Perancangan merupakan proses mengambil
keputusan yang
dipakai
untuk
mengembangkan sistem teknik yang melibatkan sifat manusiawi. Merancang berarti menyusun dan mendapatkan hal-hal baru. Merancang dapat yang benar-benar baru atau pengembanganproduk yang sudah ada, sehinggamendapatkanpeningkatanperforrna. Secara umum perancanganterbagi dalam tiga jenis yaitu : l) PerancanganOrisinil (Original Design), yaitu perancanganyang melibatkanketelitian denganprinsip solusi orisinil untuk sebuahsistem (rencana,pengerjaanatau perakitan) yang sama atau sebuahtugas baru. 2) PerancanganAdaptif (Adaptive Design) yaitu perancanganyang melibatkan penyesuaian pada sistemyang telah ada (merupakansolusi dari prinsip yang sama dari yang pernah ada) untuk merubah tugas. Perancanganini merupakanbagian dari perancanganorisinil atau sering disebut dengan perakitan saja. 3) PerancanganVarian (Varian Design) yaitu perancangan yang melibatkankegiatan merubah dimensi atau menyusunaspek yang pasti dari sistemyang telah dipilih, denganfungsi dan tujuan yang diinginkan dari konsep dasar. Dalam melakukan prosesperancangan,metode yang dapat digunakancukup bervariasi. Beberapametodeyang dapat digunakanadalahMetode Ibrahim Zeid, Metode French,Metode Pahl & Beitz, Metode Ullman dan Metode Ulrich. Setiap metode perancanganmempunyai kekhasanmasing-masing,tetapi secaraumum meliputi beberapafase perancanganyaitu : fase perencanaan,fase perancangankonsep produk, fase perancanganbentuk, fase perancangan detail, fase perancanganmanufaktur, fase produksi. Perancangandengan menggunakan metode VDI 2221 (Verein Deutcher Ingenieure) merupakan salah satu metode untuk menyelesaikan permasalahan dan mengoptimalkan penggunaanmaterial, teknologi dan keadaan ekonomi. Ide dan pengetahuanmerupakan sumber dasar dari perancanganproduk guna memenuhi permintaan konsumen dan demi keuntungansemuapihak tentunya.Metode perancanganVDI 2221 menurut GerhardPahl dan Wolfgang Beitz (1984) dibagi beberapatahapansebagaiberikut : 1. Klasifikasi Tugas (Clastficution of the Task) Tahapan ini merupakan tahap pengumpulan informasi dan menguraikannyake bentuk sejenisdan bentuk dasar spesifikasi (requirement list), serta megidentifikasikankendalakendalayang dihadapi untuk mencapaisolusi optimal. Hal yang perhr diperhatikandalam
284
membuat daftar spesifikasi adalah membedakanpersyaratan apakah keharu san (demand) atau keinginan (wishes). Demand merupakan segala persyaratan yang harus dipenuhi dalam perancangandan wishesmerupakanpersyaratandalam bentuk keinginan, dan dapat dimasukkanmelalui pertimbangan-pertimbangan. Untuk membantu memudahkandalam penyusunanspeksifikasi, digunakan suatu daftar periksa (checktist).
2. Perancangan Konsep (ConceptaalDesign). Tahapanini berisi tentangpembahasantentangpermasalahanabstraksi,membuat struktur fungsi, kemudian melakukan pencarian prinsip pemecahan masalah yang cocok dan kombinasi dari prinsip pemecahanmasalahtersebut.Pemecahanmasalah dari konsep ini terdiri dari bagian-bagiandasarsolusi yang rumit. ENERGI N,IATEzuAL SINYAI-
FLINGSI KESELURUHAN
ENERGI IvIATERIAL SINYAL
ENERGI MATERIAL
ENERGI MATERIAL
SINYAL
SINYAL
Gambar 1. SkemaStmktur Funssi 3. Perancangan Wujud (Embodiment Design) Tahapanini meliputi beberapalangkah perancangan,yaitu : langkah penguraianke modul (modular stntcture), pembentukan layout awal (Preliminary layout) dan penentuanlayottt jadi (definitive layout). Perancanganwujud dimulai dari konsep produk, kemudian perancangandikembangkan dengan menguraikan struktur fungsi dan ke dalam struktur modul untuk memperolehelemen pembangunstruktur fungsi. Hasil dari tahap ini berupa layout, kemudian dianalisis untuk mendapatkaninformasi lebih lanjut tentang kekuatan, getaran,kinematika,pemilihan material,prosesproduksi dan sebagainya.
4. Perancangan Detail (Detail Design) Tahapanini merupakantahap akhir dalam perancangan.Hasil perancangandetail berupa gambar lengkap, daftar komponen, spesifikasi bahan, toleransi dan lainnya yang
285
merupakansatu kesatuandalam pembuatanmesin. Kemudian dilakukan evaluasi kembali terhadapproduk, apakanbenar-benarsudahmemenuhispesifikasiyang diberikan.
III. PERANCANGAN SEPEDAELEKTRIK Metodeperancangan sepedaelektrikyangdigunakanadalahmetodeVDI 2221.Secara umummetodetersebutdapatdibuatdiagramalir perancangan sebagaiberikut: Rencana/ Abstrak
-TKejelasan rencana Penentuansoesifikasi
t4
-y.
=cn V _L I
+
I ndentifikasi problem utama Tentukan struktur kefungsian Cari dasar-dasarpemecahan Cari alternatifpemecahan Evaluasiterhadapkriteriateknik dan ekonomi
u
.;
x
al
E
dn q
u
o
a-)
d
Konseprancangan a
o q)
Tata letak awal dalam bentuk Pilih tata letak terbaik Evaluasiterhadapkriteriateknik dan ckonomi
x d o o
ri
E E
- 6 O J v
Tata letak awal q A
O p t i m a s id a l a mb e n t u kd a n d e s a i n Cek kesalahan Pet'siapandaftal elemendan dokumentasiproduksi
E a)
I I
I
Tata letak akhir
Perincianakhir Gambarteknik Cek dokumen
Dokumentasi
I Y
+ = o
.go o
-t_
Gambar2.DiagramAlir ProsesPerancangan
Sebagai acuan awal dalam perancanganini, ditetapkan spesifikasi arval dengan memperhatikan persyaratanapakahkeharusan(demand)ataukeinginan(tvishel.
286
Tabel 1. Daftar SpesifikasiAwal Parameter Geometri
Spesifkasi Dimensi perancangan Panjang Lebar Kekakuan yang tinggi Titik berat yang tepat Mempergunakanmotor listrik Bentuk rancanganhemat material Energi beraqaldari Aki Energi yang digunakankecil Komponen tidak mudah rusak Material mudah didapat Material tahanlama
D D D D D D D D D D D D D
Bentukproposional
W
Bentuk tidak kaku Mudah untuk dibongkarpasang
w
Biaya pembuatancukup murah
w
Tqeei Gaya
Energi Material Ergonomi Perakitan Biaya produksi
Demand (D) / Wish (W)
w
Dalam perancanganini telah ditetapkan bahwa akan dirancang ulang sepeda manual menjadi sepeda elektrik. Oleh karena itu perlu dibuat struktur fungsi yang menyatakan bagaimanaalur gerakandari sepedaelektrik tersebut.
Energi
Motor Listrik
Sepeda
Sepeda bergerak
Gambar3. Sub Stmktur Fungsi Motor SepedaElekhik
Selanjutnyaharus dibuat daftar prinsip solusi sub fungsi untuk menyeleksi komponen yang mungkin digunakan dalam mewujudkan desain sepeda elekstrik. pri'sip solusi sebaiknya sebanyak mungkin. Jika telah diperoleh, prinsip-prinsip solusi tersebnt perlu dianalisis kembali, dimana prinsip solusi yang kurang bermanfaat dapat dihilan-ekanatau diabaikan dengan tujuan agar dalam tahap perancangankonsep selanjutnya tidak terlalu banyakevaluasiyang harus dilakukan.
281
Tabel2. PrinsipSolusiSubFungsi PrinsipSolusi c
B
No
SubFungsi
SurnberDaya
DC t2 Volt n
A
Tenaga Manusia
f MotorListrik
Mekanik
2
tl
AC
Penggerak
f')r-f'C&
€
Sabuk
Penerus Daya
4
',
ffi
i--
2
Tingkat Kecepatan
c
Berputar
Arah Cerakan Roda
6
Rangka
l
Bolak-balik
\---al
Alunrunium
Baj
StainlessSteel
prinsipsolusisubfungsitelahdibuat,makaperludilakukankombinasiyangmungkin, Setelah sehingga terbentuksuatusistemyangpalingmenunjang dalambentukbeberapa varian.
Tabel3. KombinasiPrinsipSolusiSubFungsi -___-____-prinsiR sorusi No
Sub Fungsi\--
I
SumberDaya
B
C
..-_v Tenaga
Manusia
,\X\
IT
trffi ffi ,l"k-i[-\
2
Pcnggcrak
PenerusDaya
I
\4otor Listrik
\o.
S^bvk
tr( nanttri u
//
'...:,f.'
I I
4
Tingkat Kecepatan
Arah Gerakan Roda
6
Rangka
I I
-l
+
/2
\
K
/ \balik /i__-.>.N
\\
Alurnuniunr
J','\'
steel
\less
u')
(")
(u,
Berdasarkanprinsip-prinsipsolusi yang telah dilakukandi atas, dapat diperoleh beberapa kombinasiatauvariasi: 1. VarianI :Cl ) A2 ) 43 ) A4 ) .{5 ) 86 2 . V a r i a n2 : A l t 8 2 ) 8 3 ) 8 4 ) 4 5 ) 8 6
288
3 . Varian3 : B l ) c 2 ) 8 3 )
c4) A5)86
4 . Varian4 : A . 1 ) 8 2 ) . { 3 )
A4) 85)86
Untuk menentukan varian yang mungkin dilanjutkan dalam proses perancanganini, harus dilakukan seleksi terhadapvarian yang ada. Salah satu cara dalam pemilihan varian dapatdilakukan denganmenggunakanselectionchart sepertipada Tabel 4. Tabel 4. PemilihanVarian Solusi Varian dievaluasidengankriteria solusi : (+) Ya ( - ) Tidak ( ?) Kekuranganinformasi (!) Periksaspesifikasi Sesuaidengan
SelectionChart Keputusantandasolusi varian (SV) : + ) Meningkatkansolusi - ) Menghilangkansolusi ? ) Mengumpulkaninformasi ! ) Memeriksaspesifikasiuntuk perubahan
keseluruhan
Sesuaidengandaftar kehendak Secaraprinsip dapat diwujudkan Dalam batasanbiaya produksi Pengetahuantentang konsep memadai Sesuaidengankeinginanpembuat Memenuhi syarat keamanan
Tidak sesuai
Dari Tabel 4 di atas terlihat bahwa varian yang memenuhi laiteria perancanganadalah varian 2,3 dan 4. Dengan memperhitungkanyang paling mungkin unhrk diwujudkan dalam bentuk prototipe sesuaibatasanperancangan,pemilihan komponen yang mudah dan sesuai untuk sepeda,maka dipilih varian 3 yang akan dilanjutkan ke proses berikutnya. Varian 3 terdiri dari sumber daya aki 12 V, penggerakmotor DC, fransmisi rantai, (tiga) 3 tingkat kecepatan,gerakanberputar dan rangka terbuat dari baja.
IV. PEMBUATAN PROTOTIPE SEPEDA ELEKTRIK Setelah varian yang akan dikembangkan dapat diperoleh, kemudian dilakukan perancangandetail. Perancangandetail meliputi perancangankonstruksi, perhihrngan daya pemilihanmotor DC, perhifungandan pemilihankomponenpendukung,perhitungan system
289
transmisi, sistempengeremandan perakitankomponenyang telah dipilih. Gambarrancangan sepedaelektrik dapat dilihat pada Gambar 4. Prototipe fisik yang dibuat disajikan pada Gambar5.
Keterangan No. I
2
3 4
5 6 7
Keterangan Roda depan Gu.pu depan Stangikemudi Rangka Sadel
No.
8 9 l0 ll
Motor listrik
l2 l3
Roda belakang
t4
Keterangan Sproketbesar(motor) Sproketkecil (kayuh) Sproketkecil (motor) Rantai Sproketbesar(kayuh) Pedal Tempataki
Gambar4. GambarRancangan Sepeda ElektrikVarian3
Gambar5. GambarPrototipe FisikSepeda Elektrik
290
Tabel 5. SpesifikasiTeknis SepedaElektrik No. Spesifikasi I Panjang total 2 . Lebar total 3 . Tinggi total 4 . Diameter roda 5 . Sudut kemudi 6 . Sistemtransmisr
7. 8. 9. 10.
Sistempengereman Kecepatanmaksimum Beban total
Motor listrik
l1
Daya 12. Putaran I 15 r/mrn
1 3 . Aki 1 4 . Lama pengisian 1 5 . Lama pemakaian
Besar dan Satuan
1 7 5 0m m 530mm 930 mm
500mm I 50' Rantai dan sproket,rantai roll, No. 40 rangkaiantunggal, 38 mata rantai Roda belakangrem tromol, roda depanrem blok ganda 3 m/s 900 N (sepedadan penumpang)
DC
600w 1l5 r/min Aki kering, 72V, lZ A, 2 buah rangkaianseri,berat6 kg
4-6 iam
30 - 60 menit terusmenerus
V. PENGUJIAN PROTOTIPE Setelah prototipe fisik
dibuat, kemudian dilakukan pengujian agar diperoleh
karakteristik dari sepeda elektrik hasil rancangan.Pengujian-pengujian ini berfujuan untuk mengetahuisecaralangsung bagaimanakecepatansepedaelektrik, sistem pengeremanyang terjadi, dan bagaimanasistemkemudi yang digunakanpada sepedaelektrik tersebut. Pengujian dilakukan denganberbagaivariasi kecepatandan sistem pengeremanserta berbagai manuver yaitu belok ke kiri, belok ke kanan, berputar balik, maupun lurus. Pengujian pertama adalah pengujian kecepatanmaksimum yang dapat dicapai oleh sepeda tersebut.Dengan beberapakali pengujianmaka dapat disimpulkan, bahwa dengan kecepatan awal : 0 '/, kecepatanmaksimum yaitu 3 -/, dapat dicapai kurang lebih selama 5 - l0 detik setelahsepedabergerak. Pengujian kedua yaitu pengujian sistem pengeremanyang digunakan pada sepeda elektrik. Rem yang digunakan pada roda depan yaitu rem blok, sedangkan rem yang roda belakangyaitu rem tromol. Kedua rem dapatberfungsidenganbaik. Pengujianketiga yaitu pengujian sistemkemudi sepedaelekhik. Pada saatmelakukan manuver, hanya dibutuhkan ruangan yang kecil sehingga dapat melakukan manuver pada jalan yang sempit (gang). Hal ini didukung oleh sudut kemudi yang dapat dilakukan oleh sistemkemudi sebesar150". Pengujianterakhir adalah gabungandari pengujian-pengujiansebelumnya,yaitu dari keadaandiam kemudian melaju dengan kecepatanmaksimum lalu melakukan pengereman,
291
setelah itu melakukan manuver ke kanan atau ke kiri kemudian melaju kembali dengan kecepatanmaksimum dan terakhir melakukan pengeremansampai sepedaberltenti.
VI. PEMBAHASAN Dalam melakukan perancangan sepeda elektrik ini, perancangan terlebih dahulu melakukan survei terhadap berbagai bentuk sepeda yang ada di pasaran. Berdasarkan hasil survei, dipilih sepedamanual yang cocok untuk dimodifikasi sesuaihasil perancangan.Pada rangka sepedayang telah dipilih, diadakan penambahanrangka pada bagian tengah rangka sehinggarangka menjadi lebih panjang dari sebelumnya.Hal ini dilakukan agar ruanganyang digunakanuntuk meletakkan aki besertadenganrangkaian elektronik menjadi lebih besar. Motor DC yang digunakan sebagaialternatif dalam memutar poros belakang selain dengan cara manual, dipilih sesuai dengan kebutuhan kecepatan sepeda yang dirancang. Begitu jugu dengan aki yang digunakan sebagaisumber tenaga untuk menggerakkanmotor DC disesuaikan dengan kebutuhan dari motor tersebut. Merangkai DC regulator yang digunakan untuk mengatur kecepatan putar dari motor DC juga menjadi hal yang penting yang harus dikerjakan. Aki dan DC regulator yang akan diletakkan pada rangka, harus diberi dudukan.Dudukan ini harus sesuaidenganbentuk rangka yang menyanggany\ dan juga tidak terlalu besar karena dapat mengganggupergerakan.Dudukan terbuat dari plastik sehingga tidak menambahberat sepeda. Setelahsemuakomponen telah terpasang,selanjutnya dilakukan penggabunganantara aki, DC regulator dan motor DC. Penggabungan tersebut berupa kabel dari aki yang dihubungkan ke input dari DC regulator, lalu kabel dari motor DC dihubungkan ke output dari DC regulator. Penempatan potensiometer yang digunakan untuk mengatur kecepatan sepeda dipilih senyaman mungkin bagi pengendarasehingga mudah dalam mengendarai sepedaelektrik ini. Posisi potensiometerdiletakkan dengan pegangan sebelah kanan, yang diperkirakanmerupakantempat yang paling sesuai.
,
Hasil pengujian yang dilakukan menunjukkan bahwa sepedaelektrik hasil rancangan dapat berjalan dengan baik. Kecepatan maksimum 3 -/, dapat dicapai kurang lebih setelah sepedaberjalanselama5 - l0 detik. Dari semua pengujian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa sepedadapat berfungsi denganbaik. Meskipun demikian, perlu pengembangandan perbaikan lebih lanjut, terutama pada sistem kontrol elektrik sehingga lebih aman dan dapat menghemat energi. Perbaikan sistem penyimpan energi akan menghasilkan penghematan energi listrik dan mengrlrangikemungkinansistemelektrik terbakarkarenakelebihan daya.
297
VII. KESIMPULAN Dari proses perancangandan pembuatan sepeda elektrik, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagaiberikut : 1. Sepedaelektrik yang dirancang dapat berfungsi cukup baik sebagaikendaraanalternatif dengansistempenggerakngandayaitu elektrik dan manual dengancara dikayuh. 2. Sistem penggerak elektrik yang digunakan adalah motor DC, aki kering, dan sistem transmisirantai. 3. Komponen yang digunakan untuk pembuatanprototipe merupakan komponen standar mudah didapat di pasaran. 4. Kecepatanmaksimum sepedaelektrik yang dirancangadalah3 m/s.
VIII. DAFTAR PUSTAKA (1) Beer Ferdinand and Johnston Russel(1988) "lulechanicsof Materials" SI Metric Edition. McGraw-Hill, Singapore. (2) Dedy A.
Sirahar
dan Agustinus P. Iralyan
(2006) "Perancangon dan
Perhitungan Konstruksi pada Desain SepedaElektrik" Skripsi tidak dipublikasikan. JurusanTeknik IvlesinFakultasTeknik UniversitasTarum anagara,Jakarta. (3) Dieter, G.8., (1991) "EngineeringDesign,4 Muterial anclProcessingApproach" InternationalEdition, McGraw-Hill Inc, Singapore. (4) Jasson Sugan$y dan Agustinus P. Irarvan (2006) "Perancangan SistemElektrik dan
MekantsmePenggerak pada
Desain
Sepeda Elektrik"
Skripsi
tidak
dipublikasikan. JurusanTeknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarum anagara,, Jakarta. (5) Khurmi, R.S. and J.K. Gupta. , (2004) "A Text Book of Mac:hirteDesign" Eurasia Publising House (Pvt) Ltd, New Delhi. (6) Pahl, G. and Beitz, W. (1984) "Engineering Design" The Design Council Ken Wallace,London. (7) Ulrich'
Karl
T.
and Eppinger, Steven D. (1995) "Prodttct Desigrt and
Development". InternationalEditions.McGraw-Hill, Singapore.
293
