Transcription

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9Palembang, 13-15 Oktober 2010PENGUJIAN PEMBEBANAN STATIK PADA DESAIN STRUKTUR GANDARRODA BELAKANG UNTUK PROTOTIPE KENDARAAN HIBRIDA RINGANDTM-UIDanardono Agus Sumarsono1, Raka Cahya Pratama2, M. Satrio Utomo31Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, [email protected] Teknik Mesin, Universitas Indonesia, [email protected] Teknik Mesin, Universitas Indonesia, [email protected] riset ini telah dirancang konsep dan pembuatan gandar roda belakang untuk kendaraan hemat energiberbasis teknologi hibrida serial-paralel antara mesin pembakaran dalam dan motor listrik magnet permanen.Konsep rangka mengadopsi sebagian rancangan prototipe yang sudah ada di laboratorium DTM-UI. Konsepini lebih bersifat rekayasa dan memodifikasi komponen lokal sebanyak mungkin agar dapat digunakan dalamdesain. Sistem traksi gandar ini tidak menggunakan gigi diferensial namun menggunakan dua unit freewheelpada roda kiri dan kanannya. Sehingga, daya dan torsi yang diteruskan ke roda belakang dapat diteruskanpada kedua roda secara proporsional. Demikian pula pada traksi untuk memadukan tenaga mesin dan motorlistrik digunakan mekanisme freewheel yang dipasangkan pada kedua poros keluarannya. Rancangan inidiharapkan dapat menghasilkan prototipe kendaraan ringan hibrida yang cukup aman dan murah. Pengujianpembebanan statik dalam riset ini merupakan analisis dinamis awal terhadap struktur gandar belakangkendaraan hibrida ringan tersebut untuk mengetahui parameter defleksi statik yang terjadi pada setiapkomponen pada gandar agar didapat rancangan yang ringan, kokoh dan mudah dalam manufakturnya.Simulasi perhitungan memanfaatkan perangkat lunak Inventor serta pengujian skala penuh laboratoriumuntuk tiga rancangan berbeda pada struktur batang penghubung yang berbentuk: setengah lingkaran,segiempat dan segitiga. Hasil simulasi untuk asumsi pembebanan 1000 N arah vertikal dan 800 N arahhorisontal menghasikan bentuk parabola defleksi maksimum sebesar 2,49 mm, kemudian pada pengujianlaboratorium didapat besaran defleksi maksimum sekitar 2,46 mm. Dengan kondisi pembebanan maksimumtersebut tegangan dalam struktur gandar dengan batang penghubung berbentuk setengah lingkaran masihdalam ranah elastis. Sedangkan pada desain gandar dengan batang penghubung berbentuk segiempat dansegitiga dengan asumsi material yang sama seperti pada bentuk lingkaran, maka didapat simpangan masingmasing sekitar 1,475 mm dan 2,951 mm. Pemilihan struktur bentuk segiempat menjadi fokus untuk pengujianselanjutnya termasuk rancangan bentuk dan dimensinya agar dapat memenuhi kriteria dengan berat ringandibandingkan dengan kedua desain lainnya.Kata Kunci : Analisis struktur gandar, pembebanan statik.1. Latar BelakangPenelitian kendaraan hibrida ringan telah dilakukanDTM-UI semenjak awal tahun 2000, dimulai darikonsep kendaraan ringan prototipe I hingga V baikbersistem serial maupun paralel. Kemampuanmenguasai teknologi struktur kasis termasuk sistemgandar roda belakang tanpa diferensial menjadi sangatmenarik ketika berat kendaraan menjadi konstrainuntuk mendapatkan jarak tempuh yang lebih baik.Pengujian struktur gandar roda belakang menjadi awaldari konsep riset kendaraan hibrida ringan untukmencari rancangan yang lebih baik untuk menjawabISBN : 978-602-97742-0-7konstrain tsb. Rancangan gandar yang digunakan saatini terdiri dari dua selongsong pipa yang digabungmenggunakan struktur sambungan berbentuk parabola(Gbr 1a). Bentuk parabola harus dibentuk melaluiproses metal bend forming berupa penekukan yangmemakan waktu serta bahan material. Dalam penelitianini dirancang pula 2 model bentuk sambungan lainnyaberbentuk segiempat dan segitiga (Gbr. 1b dan 1c).Dengan melakukan perbandingan kekuatan teganganyang terjadi akibat beban kendaraan dan torsi traksimelalui simulasi dan validasi pengujian statis, makaMI-347

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9Palembang, 13-15 Oktober 2010diharapkan dapat melakukan pendekatan simulasiterhadap beberapa bentuk sambungan ositionFV10FH4525456055801001602555SEC l-2positionFVFH454511025558025160SEC A-A55100yang banyak digunakan dalam struktur pipa baja.Untuk mengetahui karakteristik defleksi statik makadilakukan simulasi untuk beban vertikal (bebankendaraan) dan horizontal (torsi traksi) sekitar 1000 Ndan 800 N. Pemilihan besar beban ini menyesuaikandengan spesifikasi beban yang akan dialami olehstruktur gardan belakang dalam kondisi operasional.Dalam pengujian selanjutnya dilakukan hanya untukgardan dengan sambungan bentuk parabola dalamskala penuh di laboratorium untuk mendapatkandefleksi pada beberapa titik tertentu sepanjang gandar.Hasil perbandingan simulasi dan pengujian akandidapat deviasi kesalahan yang digunakan tuk mendapatkan pendekatan karakteristikdefleksi.A3. Analisis 25Dial-2positionFVFH2545Pemodelan struktur gandar dapat disederhanakansebagai batang yang ditumpu pada kedua ujungnyaserta dibebani gaya F pada koordinat asimetrik untukfree body diagram (Gbr. 2)4525558016010055ySEC A-AAl(c)2. MetodologiPenelitian dilakukan dengan menggunakan simulasidengan bantuan perangkat lunak serta pengujian skalapenuh pada desain struktur gardan belakang kendaraanhybrid DTM-UI. Simulasi menggunakan perangkatlunak Autodesk Inventor , dan dilakukan untuk 3gandar dengan sambungan bentuk parabola, segiempatdan segitiga. Asumsi bahan material adalah baja ST-37ISBN : 978-602-97742-0-7bwCAManfaatPemahaman yang baik atas rancangan strukturgandar kendaraan akan mempermudah melakukanrekayasa ulang rancangan dan konstruksikasiskendaraan yang lebih ringan, namun tetap kokoh danmudah dalam manufakturnya. Spesifikasi kendaraanberupa parameter daya dukung, berat kendaraan secaratepat serta data blue print struktur kendaraan akanmenjadi bahan referensi yang reliable untuk risetberbasis struktur mekanikal terkait lainnya. Disampingitu diharapkan riset awal (start-up) kendaraan berbasisteknologi hibrida ini akan menjadi pemicu kegiatanriset kendaraan masa depan yang ramah lingkunganserta mendukung program clean energy dunia.FaGambar 1. Desain struktur gandar untuk 3 bentukrangka penghubung; parabola (a), segiempat (b) dan segitiga (c).qBxqR1R1Gambar 2. Pemodelan sederhana struktur gandarGaya reaksi yg terjadi pada tumpuan ditulis sbb: . (1)Defleksi sepanjang x ; . (2a). (2b)dengan sudut defleksi : . (3)Pada kasus elastic dimana sudut cukup kecil makaperssmaan (3) disederhanakan sebagai ; . (4)Dimana momen lentur pada tiap titik simpul :MI-348

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9Palembang, 13-15 Oktober 2010 . (5)Distribusi tegangan pada batang sambungan berbentukparabola yang mengalami lenturan dapat didekatidengan asumsi berikut (Gbr. 3) :-Bagian penampang mempunyai satu sumbu simetridalam satu bidang sepanjang balok.Bidang penampang tetap rata setelah bending.Modulus elastisitas dalam tekan dan tarik samanilainya.aSumbusentriodb’ bycidMcrofri(a)ehcoSumbunetralc’dfMr rn rcrnOOGambar 3. Model sumbu netral dan sentroidal padapenampang yang pada kenyataannyatidak bertepatan.Tegangan akibat bending :(b) (5)rn radius sumbu netral [mm]Gambar 4. Simulasi defleksi (a) dan tegangan (b)gandar sambungan bentuk parabola.e jarak dari sumbu sentroidal ke sumbu netral [mm]A luas penampang [mm2]M momen [Nmm]Simulasi PemodelanSimulasi dengan bantuan perangkat lunak, untukdefleksi dan tegangan pada gandar dapat dilihat padaGbr. 4, 5, 6 dan 7 berikut.(a)ISBN : 978-602-97742-0-7MI-349

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9Palembang, 13-15 Oktober 2010Defleksi (mm)10-1-2-30500(b)1000(a)von Mises Stress(MPa)Gambar 5. Analisis defleksi (a) dan tegangan (b)gandar sambungan bentuk at Melintang (mm)(b)Gambar 7. Grafik defleksi (a) dan tegangan (b)sepanjang koordinat melintang gandarparabola.(a)Defleksi (mm)0.50.40.30.20.100500(b)(a)von Misses Stress(MPa)Gambar 6. Analisis defleksi (a) dan tegangan (b)gandar sambungan bentuk segitiga.Pengujian Skala PenuhGbr 7 dan Gbr.8 memperlihatkan hasil pengujianpada skala penuh terhadap sambungan bentukparabola. Spesimen gandar dipersiapkan dan posisidudukan disesuaikan kembali berulang ulang denganpemodelan. Beban vertikal menyebabkan terjadidefleksi disepanjang gandar.ISBN : Koordinat Memanjang (mm)(b)Gambar 8. Grafik defleksi (a) dan tegangan (b)sepanjang koordinat memanjang gandarparabola.MI-350

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9Palembang, 13-15 Oktober 2010Tegangan yang terjadi dihitung melalui pendekatanasumsi dan persamaan (5) dalam pemodelan. Defleksinegatif mencerminkan arah dari bentuk kurva garfik.Demikian pula untuk hasil pada koordinat memanjanggandar parabola,Kekuatan struktur dihitung menggunakan pendekatanDistortion-Energy Theory (DET) atau von MisesTheory untuk material ulet ST37 dan ditulis padapersamaan (6) berikut : . (6)4. Hasil AnalisisTabel 1 memperlihatkan hasil simulasi perhitungan defleksi maksimum untuk ketiga bentuksambungan akibat beban static vertikal dan horisintal.Profil segiempat menghasilkan defleksi yang lebihkecil daripada profil yang lain. Dari hasil simulasi jugadidapatkan bahwa ketiga bentuk sambungan masihberada dalam batas elastis sehingga masih kuatmenahan beban akibat kinerja penggerak dan bebankendaraan pada kondisi statik. Selain itu,sambunagndengan defleksi kecil (segiempat) akan menjadi fokuslebih lanjut untuk rancangan gandar yang lebih ringan,kuat dan mudah dalam manufakturnya.Tabel 1.Bentuk sambunganParabolaSegiempatSegitigaDefleksi maks. [mm]2,491,4752,951Dari perbandingan defleksi maksimum sambunganbentuk parabola antara simulasi dan pengujian skalapenuh didapat deviasi kesalahan sekitar 1,2%.Walaupun demikian, nilai tersebut relatif kecil,sehingga baik hasil simulasi maupun hasil pengujianskala penuh dapat dikatakan menunjukkan hasil yangsignifikan. Deviasi kesalahan kemungkinan dapatberasal dari perbedaan properti material ST37 dan saatpengujian berupa pengukuran serta penempatan beban.Disamping itu kemungkinan disebabkan olehketidakseragaman (inhomogen) dimensi dan ibatkan terjadinya tegangan residu di sepanjangstruktur gardan.Berdasarkan deviasi kesalahan simulasi dengan an cara interpolasi sederhana maka hasilperhitungan defleksi beberapa bentuk sambunganlainnya akan dapat memperkirakan pendekatan hasilpengujian skala penuhnya. Dari hasil perhitungan yangdidapat maka perkiraan hasil pengujian akan beradapada kisaran 1,457 mm s/d 1,493 mm untuk gandardengan sambungan bentuk segiempat dan pada kisaran2,916 mm s/d 2,986 mm untuk bentuk segitiga.ISBN : 978-602-97742-0-7Luluhan (yielding) dalam teori distorsi terjadi ketikadistorsi energi regangan per satuan volume telahmelebihi distorsi energi regangan per satuan volumepada luluhan tegangan sederhana. Tegangan sederhanaini didapat dari rata-rata tegangan yang dialamistruktur pada ketiga sumbu kartesian-nya. Denganmenggunakan DET, maka perhitungan akan menjadilebih akurat dikarenakan tetap memperhatikan seluruhtegangan normal yang terjadi pada permukaan struktur.5. KesimpulanGandar dengan sambungan bentuk segiempatmemberikan kemampuan struktur yang paling baik diantara 2 bentuk lainnya. Selain itu, juga relatif lebihmudah untuk dalam pembuatan jika dibandingkandengan bentuk sambungan parabola. Penggunaan padaroda belakang kendaraan ringan hibrida akanmemberikan kemampu dukung beban muatan yanglebih baik. Penelitian lebih lanjut akan terfokus padapembebanan dinamis agar untuk dapat memiliki datalebih lengkap tentang karakteristik daya dukungkendaraan ringan dengan desain struktur gandarbelakang yang optimal serta menjadikan gandar dengansambungan bentuk segiempat sebagai pembandingutamanya.Ucapan Terima KasihPenelitian ini didanai dari Hibah Start-Up ProgramImHERE Dikti 2010, terima kasih disampaikan kepadamanajemen DTM dan DRPM UI demikian pula kepadaDr. Ir. Elly Tjahyono DEA atas dukungan fasilitas lab.Struktur DTS-UI.Daftar Pustaka[1] Ashok Kumar N, C. Lakshamana Rao, SivakumarM., Large deflection of constant curvature beam underfollower load, Int. Journal of Mechanical Sciences,Vol.52, Issue 3, March 2010, p.440-445.[2] Budynas and Nisbett, Shigley’s MechanicalEngineering Design, 8th edition., McGrawHill Primis,(2006).MI-351

Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9Palembang, 13-15 Oktober 2010[3] Danardono, AS, M. Farhan, Stress analysis onchassis structure of hybrid vehicle using finite elementmethod, The 9th International Conf. on Quality inResearch (QIR), Proceeding Industrial, Manufacturing,Material Eng. and Man. 6-7 Sept (2006)[4] M. Batista, F. Kosel, Cantilever beam equilibriumconfigurations, Int. Journal of Solid and Structures,Vol.42, issues 16-17, August 2005, p. 4663-4672.[5] Sato, K., Bending of an Elastically RestrainedElliptical Plate under the Combined Action of LateralLoad and In-Plane Force. JMSE Int. Journal Series A,Vol. 49, No. 1. (2006), pp.130-137.[6] Z. Celep, On the lateral stability of a cantileverbeam subjected to a non-conservative load, Journal ofSound and Vibration, Vol.64, issue 2, May 1979,p.173-178.Gambar 9. Desain gandar dengan sambungan berbentuk parabola terpasang pada roda belakang kendaraan ringanhibrida DTM-UI. Distribusi traksi menggunakan dua freewheel pada masing-masing roda sehingga tidakdiperlukan lagi sistem gigi diferensial.Gambar 10. Proses manufaktur dan pengesetan run-out pada desain gandar sambungan bentuk segiempatISBN : 978-602-97742-0-7MI-352

PENGUJIAN PEMBEBANAN STATIK PADA DESAIN STRUKTUR GANDAR RODA BELAKANG UNTUK PROTOTIPE KENDARAAN HIBRIDA RINGAN DTM-UI Danardono Agus Sumarsono1, Raka Cahya Pratama2, M. Satrio Utomo3 1Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, [email protected] 2Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia,