JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Rancang Bangun Model Regenerative Shock Absorber (RSA) untuk Kendaraan Roda Empat Rian Kurniawan, dan Harus L.G Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Kebutuhan energy listrik pada kendaraan roda empat sangat tinggi untuk mendukung peralatan elektronika dan mekatronika yang ada pada kendaraan. Selama ini pasokan energy listrik kendaraan berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energy putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi BBM kendaraan Disini akan dikembangkan model RSA(Regenerative Shock Absober) untuk kendaraan roda empat yang mampu memulihkan energy getaran yang terbuang menjadi energy listrik dengan prinsip induksi elektromagnetik. RSA ini kemudian diuji pada suspension test rig untuk mengetahui apakah alat bisa berfungsi seperti yang diharapkan dan menghasilkan listrik. Dari pengujian didapatkan alat sudah mampu mengubah gerak translasi naik turun menjadi gerak rotasi untuk memutar generator dan pengecekan kekuatan poros dan roda gigi yang dirancang telah memenuhi uji keandalan. Dari tugas akhir ini terciptalah model RSA 1:5, dengan dimensi RSA dengan panjang 25cm,lebar 15 cm, tinggi 40 cm, dan dapat menghasilkan daya 4,365 Watt. Kata Kunci : Regenerative Shock Absorber , power harvesting , kendaraan roda empat , suspension
I. PENDAHULUAN
K
etergantungan manusia terhadap sumber energi yang tidak dapat diperbaharui memanglah menjadi ancaman yang nyata dalam persediaan energi di bumi kedepannya. Dengan pertumbuhan penduduk yang tinggi kebutuhan energi pun menjadi sangat tinggi. Melihat dari fenomena ini manusia dituntut untuk terus berinovasi untuk mendapat energi dari sumber lain seperti energi termal, matahari, kecepaatan angin, gelombang air laut, atau biogas sekalipun. Berbagai penelitian pun terus dilakukan untuk mendapatkan sumber energi alternatif yang punya nilai lebih untuk mengganti peranan sumber energi tak terbaharukan ini. Tak hanya bertujuan menjadi sumber energi alternatif, sumber energi alternatif juga harus dapat mengurangi dampak dari penggunaannya terhadap pencemaran lingkungan. Salah satu solusi dari permasalahan tersebut adalah pemanenan energi yang hilang pada kendaraan. Menurut Center for Energy, Transportation and the Environment (CETE) sebuah program penelitian yang diterapkan oleh University of Tennessee Chattanooga, kendaraan bermotor hanya menyalurkan 16% dari tenaga bahan bakar yang digunakan. Sedangkan 62% hilang dari panas dan getaran yang ditimbulkan pada mesin, 11% dari engine idling, 6% dari
rugi-rugi transmisi, dan 2% dari penambahan aksesoris seperti AC, radio tape, GPS, dan lain sebagainya. VEH (Vibration Energy Harvesting) merupakan alat pemanen energi yang memanfaatkan getaran pada kendaraan, terutama pada sistem suspensi. Sejauh ini mekanisme VEH yang dilakukan adalah dengan membuat regenerative shock absorber (RSA), dimana akan dihasilkan listrik akibat gerak relatif antara suspensi dengan bodi kendaraan. Mekanisme RSA pertama diperkenalkan oleh mahasiswa MIT, yaitu dengan memanfaatkan sistem hydraulic untuk memutar turbin yang nantinya akan menghasilkan listrik. Kemudian RSA yang dikembangkan oleh State University of New York adalah dengan memanfaatkan gaya elektromagnetik dan perubahan gerak translasi menjadi gerak rotasi untuk memutar generator. Sedangkan RSA yang dibuat oleh tima Eindhoven University yang memanfaatkan gaya elektromagnetik yang ditimbulkan akibat adanya getaran pada kendaraan dan juga berfungsi sebagai suspensi aktif. RSA yang telah dibuat oleh mahasiswa ITS sebelumnya adalah dengan memanfaatkan gerak translasi pada suspensi untuk kemudian dirubah menjadi gerak rotasi untuk memutar generator dan menghasilkan listrik. Permasalahan yang dikaji dalam penelitian ini, yaitu bagaimana Bagaimana merancang model Regenerative Shock Absorber (RSA) yang dapat memanfaatkan gerak naik-turun pada sistem suspensi kendaraan untuk menghasilkan listrik serta bagaimana menentukan jenis dan dimensi material yang tepat agar model Regenerative Shock Absorber dapat berfungsi dengan maksimal. Agar pembahasan tidak melebar maka dibuat batasan permasalahan penelitian yaitu kecepatan input naik turun suspensi dianggap konstan 0,36 m/s, menggunakan Suspension Test Rig sebagai alat uji model yang menggambarkan Quarter Car Setup, dan Analisa kekuatan material dibatasi pada roda gigi dan poros penggerak. [1][2][3]. II. METODOLOGI PENELITIAN A. Tahap Proses Perancangan Secara rinci tahap proses perancangan dan pengembangan RSA dengan melakukan perancangan mekanise, penentuan dimensi, penentuan kekuatan serta penentuan material yang tepat agar alat berfungsi dengan baik. Dapat dilihat pada gambar rancangan 3d diatas, model RSA ini menggunakan 2 spring yang disini fungsi kerjanya sama dengan kerja yang ada
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
2
dg
FOLLOWER
Fr
Fn
38° Ft
addendum circle pitch circle DRIVER dedendum circle
dp
Gambar 2. Gaya-gaya pada rangkaian roda gigi lurus Gambar. 1. Mekanisme Regenerative Shock Absorber (RSA)
pada kendaraan roda empat. Dengan gaya eksitasi dari bawah yang diberikan alat uji Suspension Test Rig nantinya, masa mobil akan dimodelkan dengan pemberian masa uji diatas plat atas dari Regenerative Shock Absorber ini B. Tahap Perhitungan Dalam menentukan kekuatan roda gigi, tahap pertama yang dilakukan yaitu menentukan putaran awal (input) , putaran akhir (output) dan rasio kecepatan roda gigi sesuai yang diharapkan dari penelitian ini. Sesuai dengan rumus kecepatan rasio dibawah :
rv
g
ng
Nt p
dp
p
np
Nt g
dg
Setelah mendapatkan rasio kecepatan dapat ditentukan daya input yang akan ditransmisikan pada roda gigi yang lain dengan rumus dibawah ini :
hp
T .n 63000
Ft .V p 33000
Daya yang diterima oleh sepasang roda gigi yang bersentuhan, akan mengarah normal terhadap permukaan gigi dan searah dengan garis tekan / kontak. Pada gambar 2 ditunjukkan sepasang roda gigi yang bersentuhan pada pitch pointnya, gaya normal Fn adalah gaya yang ditimbulkan oleh roda gigi yang digerakkan terhadap roda gigi penggerak. Dengan demikian gigi roda gigi penggerak akan menerima juga gaya normal Fn yang sama besarnya tetapi berlawanan arah.
Gaya radial disebut juga gaya pemindah, sebab gaya ini cenderung memisahkan antara dua roda gigi. Dalam perencanaan, gaya tangensial dianggap konstan selama kontak antara dua roda gigi, mulai dari bagian puncak gigi sampai dasar gigi, torsi yang timbul akibat gaya normal yang dihitung dari pusat dari pusat roda gigi adalah : d d T Fn 1 cos Ft 1 2 2 Kecepatan pitch line :
.d .n (ft/menit) 12
Vp
dimana d (diameter gigi) dalam in, atau data juga dengan :
.d .n (m/s) 60
Vp
dimana d (diameter gigi) dalam m Nilai harga ini dimasukkan kedalam rumus sebelumnya, maka :
hp
T .n 63000
12V p Ft d 2 d 63000
sehingga gaya tangensial pada roda gigi adalah :
Ft
hp.33000 Vp
Setelah menentukan gaya tangensial, maka langkah selanjutnya adalah menentukan gaya dinamis pada roda gigi yaitu :
Fd
600 V p 600
Ft
untuk 0 < Vp < 2000 ft/menit
Fd
1200 V p 1200
Ft
untuk 2000 < Vp < 4000 ft/menit
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
3 III. HASIL DAN DISKUSI
78 Fd
Vp 78
Ft
untuk Vp > 4000 ft/menit
Perencanaan roda gigi sebenarnya tidak sederhana karena perencanaan awal merupakan cara coba-coba (trial and error). Metode digunakan untuk menganalisa kekuatan roda gigi yaitu metode Lewis Equation dan AGMA Bending Equation untuk meninjau kekuatan roda gigi berdasarkan beban bending yang diterima serta metode Buckingham Equation dan AGMA Wear Equation untuk meninjau kekuatan roda gigi berdasarkan pengaruh keausan akibat pemakaian. Persamaan-persamaan dalam metode tersebut yaitu :
A. Spesifikasi data Dalam hal rancang bangun RSA ini, hal yang sangat penting untuk diketahui yaitu nilai power inputan, kecepatan inputan serta dimensi alat yang diinginkan. Untuk mencari nilai asumsi power yang diterima dari sistem naik turun pada input awal, digunakan pendekatan Nilai power maksimal yang ada pada Generator yang digunakan. Nilai power generator sendiri yaitu 60 Watt. Jadi didapat bahwa nilai power input yang diterima oleh sistem naik turun RSA yaitu sebesar 0,08 Hp. V Input
RSA 0,08 Hp
Metode Lewis Equation
Fb
Gambar 3. Ilustrasi batas Rancang
S o .b. y. p
S o .b
Y
Untuk menentukan kecepatan yang diterima dari sistem naik turun RSA, input awal yang digunakan diambil dari data simulink. Dapat dilihat dibawah yaitu grafik kecepatan naik turun suspensi mobil pada roda belakang, didapatkan kecepatan rata – rata naik turun suspensi mobil pada roda belakang sebesar 0,36 m/s.
K f .P
Dan roda gigi dapat dinyatakan aman bila Fb Fd Metode AGMA Bending Equation
Ft .K o .K s .K m .P K v .b.J
t
dan roda gigi dapat dinyatakan aman apabila besarnya dimana :
S ad
t
Sad
S at .K L K T .K R
Perhitungan poros agar aman dan dapat berfungsi dengan baik akan digunakan perhitungan beban dinamik. Adapun tahap perhitungannya sebagai berikut Mencari reaksi tumpuan dan momen terbesar pada poros: ∑Fx=0; ∑Fy=0;∑M=0 Mencari tegangan normal dan geser max,tegangan avearge,dan tegangan amplitudo akibat momen dan torsi. Hasil akhir dalam dp σt=M.c/I dimana c/I=32/(3,14x dp^3)
Grafik 1. Grafik Kecepatan naik turun suspensi roda belakang.
Dari grafik didapat putaran awal untuk menggerakkan gear 1 dan gear 2 (Oneway Bearing). Dengan rumus : Vsuspensi = 2. π .r. n / 60 Dimana r adalah jari – jari dari spur gear awal 0,36 m/s = 2 . 3,14 . 1,5875 cm. n / 60 n = 217 rpm
Ʈ=T.c/J dimana c/J=16/(3,14x dp^3) Penentuan bahan poros beserta spesifikasinya Sy,Su,S’n=0.5.Su; Tresca+ soderberg
9
3
(
Avg
Kf
Sy Se
a
)
2
4(.
avg
Sys Kfs . a )2 Ses
8
1 ≤
7
10
Sy/Sf…(2.20a)
4 2
Jika nilai Sy/Sf lebih besar, berarti Poros aman terhadap beban dinamik [4][5].
6 5
Gambar 4. Tampak susunan 3D RSA
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
4
Dari hasil perancangan di dapat nilai Outputan RPM untuk Generator nantinya yaitu : No 10
Nama
RPM
Rack gear
217
1
Roda gigi 1
217
2
Roda gigi 2
217
3
Roda gigi 3
217
4
Roda gigi 4
217
5
Roda gigi 5
412.3
6
Roda gigi 6 Roda gigi 7
412.3 783.37
Roda gigi 8
783.37
Roda gigi 9
1488.403
7 8 9
Gambar 6. Tampak Suspension Test Rig
Tabel 1. Perubahan RPM
B. Hasil Perancangan
Gambar 7. RSA pada Suspension Test Rig
Data salah satu hasil pengujian yang dilakukan : 10 damp.ratio = 0,33 damp.ratio = 0,41
Power (Watt)
8 6 4
Gambar 5. Tampak Hasil Rancang Bangun RSA
2
Dari perancangan terciptalah model RSA 1:5, dengan dimensi RSA dengan panjang 25cm,lebar 15 cm, tinggi 40 cm. dan dilengkapi dengan 2 spring dengan Nilai K total yaitu 20,78 KN/m.
0 1
C. Hasil Pengujian Pengujian dilakukan dengan alat uji kusus yaitu Suspension Test Rig, berikut dapat dilihat posisi peletakan RSA pada Suspension Test rig
1.5
2 time (second)
2.5
3
Grafik 2. Power dengan Amplitudo 7,5 mm Frekuensi 4,17 Hz
Grafik di atas memiliki tren yang sama dengan grafik voltase. Karena voltase dan arus yang dihasilkan pada ζ = 0,33 lebih tinggi, maka daya yang dihasilkan juga lebih tinggi, namun tidak terlalu stabil. RMS daya pada ζ = 0,33 adalah sebesar 4,365 Watt, sedangkan RMS daya pada ζ = 0,41 adalah sebesar 2,04 Watt. Karena sistem memiliki skala 1:5, maka daya yang dihasilkan juga dapat sebesar 5 kali pada kondisi sebenarnya, yaitu sekitar 21,8 Watt untuk ζ = 0,33 dan 10,2 Watt untuk ζ = 0,41. Dibandingkan dengan frekuensi 3,30 Hz dan 3,70 Hz, daya yang dihasilkan lebih besar 5 kali lipat. Nilai RMS pada Amplitudo 7,5 mm, frekuensi 4,17 Hz
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
5
dan pada ζ = 0,33 merupakan yang terbesar dalam pengujian dengan nilai 4,365 Watt. Dan dengan Skala 1:5 bisa didapatkan potensi Daya sebesar 21,825 Watt.
7,5
Untuk masing-masing variabel pengujian pada eksitasi impuls dapat ditabelkan pada tabel di bawah: ζ1 = 0,33 (Massa Uji 77 kg) A (mm)
Voltase (Volt)
Arus (Ampere)
Power (Watt)
7,5
1,959
1,26
2,47
12,5
2,027
1,91
3,87
12,5
3,30
0,19
0,46
0,088
3,70
0,383
1,27
0,486
4,17
1,217
1,68
2,044
2,00
0,142
0,26
0,037
2,22
0,824
1,13
0,931
2,50
0,321
1,42
0,456
Tabel 3. RMS Voltase, Daya, dan Arus untuk Eksitasi Harmonik ζ2 = 0,41 (Massa Uji 50,8 kg)
Tabel 2. RMS Voltase, Daya, dan Arus untuk Eksitasi Impuls
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
ζ1 = 0,33 (Massa Uji 77 kg)
Dari pengujian didapatkan alat sudah mampu mengubah gerak translasi naik turun menjadi gerak rotasi untuk memutar generator dan pengecekan kekuatan poros dan roda gigi yang dirancang telah memenuhi uji keandalan. Dari rancang bangun ini terciptalah model RSA 1:5, dengan dimensi RSA dengan panjang 25cm,lebar 15 cm, tinggi 40 cm, dan dapat menghasilkan daya 4,365 Watt serta potensi daya yang bisa mencapai 21,825 Watt.
ζ2 = 0,41 (Massa Uji 50,8 kg) A (mm)
Voltase (Volt)
Arus (Ampere)
Power (Watt)
7,5
1,603
1,2
1,92
12,5
1,792
1,64
2,94
UCAPAN TERIMA KASIH Tabel 2. RMS Voltase, Daya, dan Arus untuk Eksitasi Impuls ζ2 = 0,41 (Massa Uji 50,8 kg)
Untuk masing-masing variabel pengujian pada eksitasi harmonik dapat ditabelkan pada tabel di bawah:
Penulis mengucapkan terimakasih kepada teman – teman yang ikut dalam memperhatikan, mendukung dan mendoakan penelitian ini, semoga rancang bangun dalam perkembangan berikutnya akan lebih baik. DAFTAR PUSTAKA
ζ1 = 0,33 (Massa Uji 77 kg) Amplitudo Frek. (mm) (Hz)
Voltase Arus Power (Volt) (Ampere) (Watt) [1]
7,5
3,30
0,228
0,82
0,187
3,70
0,739
2,1
1,552
4,17
1,364
3,2
4,365
2,00
0,187
0,57
0,107
2,22
0,906
2
1,812
2,50
0,541
2,3
1,244
[2]
[3]
12,5
Tabel 3. RMS Voltase, Daya, dan Arus untuk Eksitasi Harmonik (ζ1 = 0,33 (Massa Uji 77 kg)
ζ2 = 0,41 (Massa Uji 50,8 kg) Amplitudo Frek. (mm) (Hz) Voltase Arus (Volt) (Ampere)
Power (Watt)
[4] [5]
Gysen, Bart L.J, dkk. 2010. Active Electromagnetic Suspension System for Improved Vehicle Dynamics. IEEE Transaction on Vehicular Technology vol 59. Deutschman, Michels Wilson. Machine Design. Machmillar Publishing Co.,Inc. New York. Zuo, Lei dkk. 2010. Design And Characterization Of An Electromagnetic Energy Harvester For Vehicle Suspension. New York State University, USA. Zuo Lei and Pei-Sheng Zhang. 2012. Energy Harvesting, Ride Comfort, and Road Handling of Regenerative Berata, wayan. Mekanika kekuatan material. Edisi pertama. Institut Teknologi Sepuluh Nopember.1999 Deutschman, Michels Wilson. Machine Design. Machmillar Publishing Co.,Inc. New York.
