JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Rancang Bangun Model Regenerative Shock Absorber untuk Kendaraan Tempur Roda Rantai Eko cahyono dan Harus Laksana Guntur Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak— Kebutuhan energy listrik pada kendaraan militer modern sangat tinggi untuk mendukung peralatan elektronika dan mekatronika yang ada pada kendaraan. Selama ini pasokan energy listrik alternatif berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energy putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi BBM kendaraan. Pada tugas akhir ini dikembangkan model RSA dengan skala beban 1:60 (Regenerative Shock Absorber) untuk kendaraan tempur roda rantai yang mampu memulihkan energy getaran yang terbuang menjadi energy listrik dengan prinsip induksi elektromagnetik, sehingga bisa menggantikan alternator sebagai energy alternative pengisi accu. Adapun dimensi RSA yang telah dibuat memiliki panjang=17 cm,lebar=10 cm dan tinggi=27 cm,panjang tuas=20 cm membentuk sudut 45o. Model RSA ini telah diuji dengan alat test rig pada frekuensi dan amplitude yang berfariasi. Effisiensi dari model RSA ini sebesar = 8,8 %. Kata Kunci— Regenerative Shock Absorber (RSA) , power harvesting , ranpur roda rantai , suspension. I. PENDAHULUAN
A. Jenis Suspensi Kendaraan Tempur Roda Rantai 1. Sherman Tank Suspension Suspense terletak hosisontal diatas kedua roda yang terpasang cross. 2. Torsion Bar Suspension atau Christie Pada kendaraan, ujung Bar logam panjang melekat pada sasis kendaraan sedangkan ujung yang satunya terpasang pada Tuas yang terhubung pada roda kendaraan. Ketika roda kendaraan terkena eksitasi, maka gerakan naik turun pada roda akan memutar tuas dan secara otomatis akan memuntir Bar dan tegangan punter yang terjadi akan ditahan. Nilai k dan c ditentukan oleh bahan dan dimensi dari Bar itu sendiri. 3. Hydropneumatic suspension Damper pada suspensi jenis ini terdiri dari dua zat yaitu gas nitrogen dan oli yang dipisahkan oleh membrane karet. Suspensi jenis ini akan lebih nyaman dan lebih tangguh disbanding suspensi jenis yang lain Pada penelitian ini sistem suspensi kendaraan tempur yang dipilih adalah kendaraan tempur roda rantai dengan
B
Berdasarkan hasil penelitian yang diterapkan oleh Lei Zou“Energy Harvesting shock Absorber”Stoony Brook University,New York,bahwa sebuah kendaraan hanya efektif menggunakan 10-16% dari tenaga bahan bakar yang digunakan. Panas yang timbul saat proses pembakaran bahan bakar menjadi kerugian terbesar dari proses ini yaitu 62,4%,kerugian transmisi 5,6%,rolling resistance 4.2% , aerodynamic drag 2.6%,pengereman 5.8%, dari penambahan aksesori seperti Air Conditioner (AC) 2.2%,serta kerugian dari suspensi 17.2%. Menurut penelitian yang sudah dilakukan oleh Lei Zuo, khusus untuk losses dari suspense yang dapat dipanen hanya sekitar 10 % nya dari 17,2 %. Untuk memanen kembali energy yang hilang akibat suspense tersebut maka pada penelitian ini telah dirancang VERS untuk kendaraan tempur roda rantai(Tank). Dengan alat ini, pengisian ulang listrik bisa langsung dengan sendirinya pada saat Tank berjalan tanpa harus di-charge secara khusus. Adapun mekanisme model RSA yang telah dirancang adalah mengubah gerakan naik turun suspensi kedalam bentuk putaran dan dihubungkan ketransmisi untuk dinaikkan putannya. Transmisi yang sudah terhubung dengan mini generator dan menghasilkan energi listrik dalam bentuk voltase dan ampere.
Gambar. 1. Sherman Tank Suspension (a), Torsion Bar Suspension (b),Hydro Pnumatic Suspension (c) Tabel 1. Parameter suspensi kendaraan tempur roda rantai (Leopard 1 MBT) Parameter
Symbol unit
nilai
Massa total Massa roda Spring Suspension damping Jumlah roda
Mtot(kg) Mw(kg) Ks C Nw
42500 317 4.45x105N/m 12500 Ns/m 14
Hydropneumatic suspension. Penelitian ini berusaha untuk memanen energi potensial yang diserap oleh damper menjadi energi listrik, maka dari itu akan dibuat model Regenerative shock Absorber (RSA) yang dapat mengganti damper pada suspensi tank sepenuhnya. Dengan kata lain, RSA ini akan berfungsi sebagai peredam yang dapat membangkitkan energi
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 listrik. RSA ini terdiri dari gear box yang akan dipasang pada interior tank tepatnya pada poros yang terdapat di pangkal tuas tank dan dihubungkan dengan generator yang nantinya bisa menggantikan fungsi dari damper.
Desain RSA. Adapun untuk dimensi dari RSA penelitian kali ini adalah sebagai berikut: untuk box transmisinya berukuran panjang 170 mm, lebar 100 mm, dan tinggi 270 mm, kemudian untuk lengan RSA sebagai representasi dari lengan suspense tank berukuran panjang 200 mm (skala 1:2 dari lengan suspense real nya yaitu sekitar 400 mm), kemudian panjang spring 360mm (menyesuaikan sudut lengan RSA pada box transmisi 45 derajat). Untuk pembebanan digunakan skala 1 : 60 dari yang sebenarnya.
2 yang terakhir uji kekuatan bending akar giginya dengan AGMA Bending equation 2. Metodologi Penentuan dimensi dan bahan pada poros dan tuas penggerak model RSA Pertama kali tentukan dimensi poros yang direncanakan , Tentukan gaya-gaya vertical dan horizontal yang terjadi pada poros,hitung reaksi tumpuan (horizontal dan vertikal) pada bearingnya,analisa tegangan terbesarnya,kemudian yang terakhir uji dengan Tresca+Soderberg equation untuk beban dinamik. A. Perhitungan Roda Gigi a. Torsi roda gigi :
T= Hp.63000 lb in n
b. Gaya tangensial : Ft =
2.T lb d
keterangan :
c. Kecepatan pitchline (Vp) : Vp = 1. Roda gigi 1(φ90mm) 13. Poros 1(φ10mm)
π.d.n ft/min 12
d. Beban dinamik (F d ), untuk V p < 2000 ft/min
600 + Vp Ft 600
Fd =
e. Lewis Equation untuk menguji kekuatan bahan roda gigi So=
Fd.P bY
f. Check roda gigi dari aus dengan Buckingham Fw = dp . b . Q . K g. Uji kekuatan material dengan AGMA Gambar. 2. Gambar Mean Battle Tank beserta bentuk fisik RSA RANPUR roda rantai
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Roda gigi 2(φ60mm) 14. Poros 2(φ10mm) Roda gigi 3(φ30mm) 15. Poros 5(φ10mm) Roda gigi 4(φ30mm) 16. Lengan penggerak Roda gigi 5(φ60mm) 17. Tempat massa uji RSA Roda gigi 6(φ60mm) 18. generator Roda gigi 7(φ30mm) 19. Kotak gear box RSA Roda gigi 8(φ60mm) 20. Lengan/tuas RSA Roda gigi 9(φ30mm) 21. spring Roda gigi 10(φ30mm) 22. Poros landasan Poros 4(φ10mm) 23. Bearing Poros 3(φ10mm)
II. METODOLOGI PENELITIAN 1. Metodologi penentuan dimensi dan bahan roda gigi Tentukan putaran input dan rasio roda gigi yang diinginkan,selain itu tentukan pula Nt(jumlah gigi roda gigi),b(tebal gigi),d(diameter gigi), dan daya input dari eksitasi alat uji.kemudian hitung rasio putaran roda gigi antara pinion dan gear. Hitung torsi dan gaya tangensial masing-masing (pinion dan gear),hitung kecepatan pitch line(Vp),kemudian beban dinamiknya(Fd),setelah itu cari bahan yang tepat dari roda gigi dengan Lewis equation, kemudian cek keausannya dengan Bukingham equation ,
Sad =
Sat ⋅ K L KT ⋅ KR
σt =
Ft ⋅ K O ⋅ P ⋅ K S ⋅ K m KV ⋅ b ⋅ J
Roda gigi aman ketika Sad > σ t B. Perhitungan Poros Sebagi contoh kita ambil perhitungan poros 5 Bahan poros AISI 1045 HR Syp = 59000 psi
Gambar. 3. Gambar gaya bidang horizontal dan vertical poros 5
a. Dengan parameter nilai-nilai gaya yang ada pada perhitungan roda gigi maka reaksi tumpuan pada bearing titik A dan C (horizontal dan vertical) . b. Mencari nilai tegangan terbesar poros pada bidang vertical dan horizontal c. Menghitung tegangan geser dan normal
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
3
σmax,min = ±(M.c)/I = ± (M.dp/2)/(ᴫ/64 .dp^4 ) Ʈmax = (.T.c)/J = (4,4 x dp/2)/(ᴫ/32 .x dp^3 ) d. Menentukan beberapa parameter untuk menghitung endurance limit (Se) S’n = 0,5 Su Se = Cr.Cs.Cf.Cw.Ct.S’n e. Menguji dengan tresca + soderberg (σ avg +Kfb σ a )2+4(Ʈ avg +Kfs Ʈ a )2 ≤ (Sy/Sf)2
Dari hasil perhitungan didapatkan dimensi dan roda gigi sebagai berikut :
Tabel 2. Dimensi dan material pinion 1 dan Gear 1A Karakteristik Pinion 1 Gear 1A dan 1B Lebar gigi
0,62"
0,62"
20o FD
20o FD
50
50
181
59
Bahan
ASTM 50
ASTM 50
Lebar gigi
0,39"
0,39"
20o FD
20o FD
Diametral pitch
50
50
Jumlah gigi
120
120
Bahan
ASTM 50
ASTM 50
Pinion
Gear
Lebar gigi
0,39"
0,39"
Sudut tekan
20o FD
20o FD
Diametral pitch
50
50
Jumlah gigi
120
60
Bahan
ASTM 50
ASTM 50
Adapun hasil perancangan dimensi dan material poros dapat dilihat pada table dibawah ini : Tabel 7. Dimensi dan material poros model RSA
Tabel 3. Dimensi dan material pinion 2A dan Gear 2B Karakteristik Pinion 2A Pinion 2B Sudut tekan
Karakteristik
diatas diambil dari skala pembebanan antara model RSA dan Beban Tank sebenarnya adalah 1 :60 . model dirancang dengan kemampuan skala pembebanan 50 kg sedangkan pada kondisi sebenarnya setiap suspensi roda tank tempur menerima beban 3 ton = 3000 kg
III . HASIL DAN DISKUSI
Sudut tekan Diametral pitch Jumlah gigi
Tabel 6. Dimensi dan material pinion 4 dan Gear 4
poros
dimensi
bahan
1 2 3 4 5 landasan
φ = 10 mm ; ℓ = 110 mm φ = 10 mm ; ℓ = 100 mm φ = 10 mm ; ℓ = 100 mm φ = 10 mm ; ℓ = 100 mm φ = 10 mm ; ℓ = 100 mm φ = 14 mm ; ℓ = 150 mm
AISI 1045 HR AISI 1045 HR AISI 1045 HR AISI 1045 HR AISI 1045 HR AISI 1045 HR
Hasi l
Tabel 4. Dimensi dan material pinion 2B dan Gear 2 Karakteristik Pinion 2B Gear 2 Lebar gigi
0,39"
0,39"
Sudut tekan
20o FD
20o FD
Diametral pitch
50
50
Jumlah gigi
120
60
Bahan
ASTM 50
ASTM 50
Tabel 5. Dimensi dan material pinion 3 dan Gear 3 Karakteristik Pinion 3 Gear 3 Lebar gigi
0,39"
0,39"
Sudut tekan
20o FD
20o FD
Diametral pitch
50
50
Jumlah gigi
120
60
Bahan
ASTM 50
ASTM 50
Gambar. 4. Arah gaya-gaya pada tuas model RSA RANPUR roda rantai
Hasil perancangan tuas adalah sebagai berikut : Dengan menggunakan rumus beban dinamik tresca + soderberg akibat gaya – gaya yang terjadi akibat beban dan eksitasi pada model RSA RANPUR roda rantai bahwa tuas penggerak yang telah dibuat dengan dimensi panjang = 200 mm, tebal 8 mm, dan lebar 20 mm masih sangat mampu terhadap beban dinamik yang diterima.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 Model RSA telah diuji dengan menggunakan alat uji getaran atau test rig dengan peletakkan pada alat test rig dapat dilihat pada gambar berikut :
4 aman. Dikarenakan batas maksimum percepatan yang masih aman bagi otak manusia adalah 20g ke arah atas dan 10g ke arah bawah. 0.35
z=0.21 z=0.17
0.3
Voltage
0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1
Gambar. 5. Peletakkan model RSA pada tes rig
Hasil pengujian dengan inputan harmonik model RSA RANPUR roda rantai dapat dilihat pada grafik berikut :
1.2
1.6
1.4
1.8
2 Time (s)
2.2
2.4
2.6
2.8
3
Gambar. 7. Grafik voltase pada amplitudo 7,5 mm dan kecepatanunsprung mass 125 mm/s (f=4.17 Hz)
Grafik di atas menunjukkan voltase yang dibangkitkan ketika amplitudo7,5 mm dan kecepatan 125 mm/s. Pada grafik tersebut, ditunjukkan perbandingan voltase ketika nilai damping rasio ζ = 0,17 dan ζ = 0,21. Dari grafik tersebut diketahui, ketika damping rasio sebesar 0,17, maka voltase yang dibangkitkan memiliki Vrms = 0.157 volt yang lebih besar daripada ketika nilai damping rasio 0,21 yang memiliki Vrms = 0.122 volt. Hal ini dikarenakan ketika damping rasio sebesar 0,17, maka massa dari body lebih besar daripada ketika damping rasio 0,21. 0.16
z=0.17 z=0.21
0.14
Power (Watt)
0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1
1.2
1.4
1.6
1.8
2 Time (s)
2.2
2.4
2.6
2.8
3
Gambar. 8. Grafik energy hasil pengujian dengan sinusoidal input
Grafik di atas menujukkan nilai daya yang dihasilkan Gambar 6. Grafik percepatan pada amplitudo 7,5 mm dan kecepatan unsprung mass 125 mm/s (f=4.17Hz): a) ζ=0,21; b) ζ= 0,17
Pada grafik di atas, menunjukkan bahwa ketika nilai ζ= 0,17, maka respon percepatan maksimum pada sprung mass adalah 5.87 m/s2, sedangkan nilai minimumnya adalah -4,8 m/s2. Sedangkan ketika nilai ζ= 0,21, maka respon percepatan maksimum pada sprung mass adalah 7,85 m/s2, dan nilai minimumnya adalah -4.42 m/s2. Nilai ini jika ditinjau dari segi keamanan bagi otak manusia masih termasuk kriteria yang
oleh RSA dengan amplitudo7,5 mm dan kecepatan unsprung mass 125 mm/s. Grafik di atas membandingkan antara daya bangkitan dengan nilai ζ = 0,17 dan ζ = 0,21. Pada saat ζ = 0,17, nilai I rms = 0,551 Ampere, sehingga nilai Prms = 0,086 watt.Sedangkan saat ζ = 0,21, nilai I rms = 0,419 Ampere, sehingga nilai Prms = 0,051 watt.Sehingga dapat disimpulkan bahwa ketika ζ = 0,17, daya yang dihasilkan cenderung lebih tinggi dibandingkan ketika ζ = 0,21. Hal ini disebabkan oleh nilai percepatan relatif pada ζ = 0,17 memiliki nilai yang lebih besar
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 Adapun untuk effisiensi model RSA yang telah dibuat dapat dihitung dengan persamaan berikut :
ɳ P out = 0.0865 watt ( diambil dari daya maksimal hasil pengujian dengan frekwensi 4.17 hz dan dengan amplitude 7.5 mm, eksitasi sinusoidal atau harmonik) P in = 0.5 x c x v2 Dengan c = 126 Ns/m (dari hasil pengujian) v= 125 mm/s = 0.125 m/s (kecepatan input pengujian) P in = 0.5 x 126 Ns/m x ( 0.125 m/s )2 = 0.98 watt Jadi : ɳ = 0.088 = 8.8 %
II. KESIMPULAN/RINGKASAN Model RSA RANPUR roda rantai yang telah dibuat dapat menghasilkan energy listrik dan perancangan rodagigi, poros dan tuas penggerak model RSA aman terhadap gaya-gaya yang terjadi. harapan kedepannya model RSA ini dapat dijadikan sebagai dasar pembuatan prototype RSA RANPUR roda rantai. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada dosen pembimbing dan dosen penguji atas saran dan bimbimbangannya, terimakasih juga pada orang tua dan temen2 tim RSA pada khususnya dan temen lab Mekanika benda padat pada umumnya. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2] [3]
[4] [5]
[6] [7]
Ismail,Nanang, Pengembangan Mekanisme Transmisi Daya untuk Regenerative Shock Absorber Model Rotational Jaw Pada Toyota Avanza . Tenik Mesin ITS. (2011) Deutchman,Aron D, Machine Design theory and practice. Library of Congres Cataloging in Publication Data. New York: 1975 V.V.Krylov,S.Pickup,J.McNuff, “Calculation Of Ground Vibration Sepectra From Heavy Military Vehicles,” Journal of Sound and Vibration 329(2010)3020-3029.Science Direct. Holh.Guenter H, “Military Terrain Vehicles,” Journal of Terramechanics 44(2007) 23-34.Science Direct. Ryu Seongpil,Youngjin Park,Moonsuk Suh, “Ride Quality Analysis of Tracked Vehicle Suspension with a Preview Control,” Terramechanics xxx (2011) xxx-xxx.Sciserve ScienceDirect. S. Rao,Singiresu, Mechanical Vibrations. Prentice Hall PTR : Miami, USA (2004). Lei Zuo, “Energy Harvesting Shock Absorbers,” Stoony Brook University of New York (2011).
5
