Masri Ali1, Husaini2, Teuku Edisah Putra3 Nurdin Ali4
1,2,3,4 Laboratorium Mekanikal Komputasia Universitas Syiah Kuala
Email : [email protected]
Abstrak. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkna suatu umur kelelahan dari Koil Spring, hal ini tergantung pada beban maksimum yang dapat diterima oleh suatu konstruksi. Dalam mendesain Koil Spring, perlu diselidiki pengaruh getaran terhadap umur kelelahan dari spring coil otomotif. Sinyal akselerasi diukur pada pegas koil ketika mobil penumpang sedang berjalan di permukaan jalan. Menggunakan simulasi dinamis multi-body yang dikembangkan, sinyal percepatan diubah menjadi sinyal regangan, dan kemudian, mereka digunakan sebagai input untuk melakukan tes kelelahan. Dari hasil tersebut, diperoleh bahwa permukaan jalan yang kasar memberikan umur kelelahan yang lebih pendek, yaitu 64,5%. Ini menunjukkan bahwa permukaan jalan yang kasar secara signifikan berpengaruh pada kehidupan komponen.
Kata Kunci : Simulasi dinamis multi-body, simulasi sinyal regangan , pemuatan variabel amplitude.
Abstract. This study aims to obtain the fatigue life of the Spring Coil, this depends on the load the maximum that can be received by a construction. In designing a Spring Coil, it is necessary to investigate the effect of vibration on the fatigue life of the automotive spring coil. The acceleration signal is measured on the coil spring when the passenger car is walking on the road surface. Using the developed multi-body dynamic simulation, the acceleration signal is converted to a strain signal, and then, they are used as input to the fatigue test. From these results, it was found that rough road surfaces provide shorter fatigue life, which is 64.5%. This shows that rough road surfaces significantly affect the life of the component.
Keywords: Multi-body dynamic simulation, strain signal simulation, amplitude variable loading.
I. PENDAHULUAN
Sistem suspensi adalah suatu mekanisme dari sekumpulan benda kaku yang dihubungkan antara rangka dengan roda-roda. Sistem ini berfungsi sebagai tumpuan atau penahan berat kendaraan serta untuk meredam getaran atau beban dinamis yang terjadi ketika kendaraan dalam posisi berjalan. Pegas ulir merupakan salah satu komponen elastis utama dari sistem suspensi suatu kendaraan [1].
Pegas ulir diharapkan bukan hanya mampu menahan getaran namun juga dapat menahan beban akibat beberapa manuver umum kendaraan seperti halnya saat percepatan, pengereman, tanjakan, ataupun pembelokan saat berada dijalan. Artinya sebuah pegas ulir harus mampu menahan, mengurangi, dan menyerap beban impak, beban puntir, dan beban siklik [2].
Dalam aplikasinya, ketika pegas ulir diberikan pembebanan secara terus menerus, ini sering kali menjadi pemicu kegagalan lelah dari pegas ulir yang mengakibatkan terbatasnya umur pemakaiannya.
Apabila pegas ulir mengalami kegagalan secara tiba-tiba, maka akan menyebabkan terjadinya kecelakaan atau hilangnya kendali dan keseimbangan kendaraan
sehingga akan sangat membahayakan pengemudi dan pengguna jalan lainnya. Pegas ulir sering mengalami kegagalan lelah yang diakibatkan dari ketidakmampuannya menahan beban dinamis.
Kondisi fisik permukaan jalan dan perbedaan kecepatan yang berbeda dari mobil adalah faktor utama yang berkontribusi terhadap kegagalan [3]. Kontrol dan stabilitas mobil sepenuhnya bergantung pada hentakan dan gesekan antara permukaan jalan dan ban [4], yang tidak tentu dan dapat berubah dengan cepat dan luar biasa. Interaksi dinamis ini memberikan sejumlah getaran yang menyebabkan masalah sehubungan dengan komponen mobil dan kualitas pengendara.
Getaran ini bertindak sebagai katalis untuk mempercepat inisiasi retak yang menghubungkan fungsi komponen dan memberikan pengaruh yang besar terhadap kinerja mobil; berkontribusi terhadap kegagalan mekanis karena kelelahan; sebagai komponen yang terkena beban siklik.
Banyak komponen otomotif, yang sering mengalami berbagai masalah ketika mengemudi, dapat dikaitkan dengan kegagalan yang disebabkan oleh kelelahan selama operasi mereka. Kondisi fisik permukaan jalan dan perbedaan kecepatan yang berbeda dari mobil
50
adalah faktor utama yang berkontribusi terhadap kegagalan [1]. Kontrol dan stabilitas mobil sepenuhnya bergantung pada hentakan dan gesekan antara permukaan jalan dan ban [2-4], yang tidak tentu dan dapat berubah dengan cepat dan luar biasa. Interaksi dinamis ini memberikan sejumlah getaran yang menyebabkan masalah sehubungan dengan komponen mobil dan kualitas pengendara. Getaran ini bertindak sebagai katalis untuk mempercepat inisiasi retak yang menghubungkan fungsi komponen dan memberikan pengaruh yang besar terhadap kinerja mobil;
berkontribusi terhadap kegagalan mekanis karena kelelahan; sebagai komponen yang terkena beban siklik.
Dalam kasus seperti itu, getaran tidak dapat dihindari dan isolasinya menguntungkan [5]. Pengurangan getaran tidak hanya untuk memberikan kenyamanan bagi penumpang, tetapi juga sama pentingnya, untuk membantu mengurangi kemungkinan kegagalan kelelahan pada komponen mobil; yang menghasilkan lebih sedikit biaya dan mengurangi kemungkinan kecelakaan fatal terjadi. Dengan demikian, suatu sistem yang menyerap getaran dari roda yang dipercepat secara vertikal diperlukan. Sistem terbaik untuk menyelesaikan masalah ini adalah sistem suspensi.
Sistem suspensi adalah perangkat mekanik di mana fungsi utamanya adalah untuk meminimalkan perpindahan vertikal dan akselerasi [6], dan memaksimalkan gerak maju antara permukaan jalan dan ban untuk memberikan stabilitas kemudi [7]. Ini memungkinkan lengan kontrol dan roda untuk bergerak naik dan turun. Ini beroperasi di bawah beban layanan multi-aksial, diidentifikasi sebagai keberadaan lebih dari suatu utama tekanan . Bodi mobil mendukung bobot mesin dan penumpang, ketika bodi mobil sendiri didukung oleh sistem suspensi pada masing-masing ban [8]. Berat badan mobil dan beban yang dibawanya memberikan gaya tekan awal ke sistem suspensi. Gaya tekan meningkat jika mobil melewati permukaan jalan yang tidak rata dengan kecepatan yang lebih tinggi.
Ketika ban mengalami kejutan, itu meningkatkan perpindahan ban dan bodi mobil. Pada saat yang sama, getaran yang ditransmisikan ke badan mobil meningkat. Getaran menghasilkan tekanan yang tinggi karena kekuatan yang diperoleh sangat besar. Getaran diserap oleh ban, pegas di kursi dan koil pegas dalam sistem suspensi. Ban dan pegas kursi menyerap sedikit getaran, sementara koil pegas melakukan sisanya untuk memberikan kenyamanan bagi penumpang dan memastikan kenyamanan pengendara. Penumpang, bagaimanapun, masih akan merasakan sedikit getaran pada tingkat tertentu. Dalam hal ini, koil pegas memiliki getaran paksa, yang terjadi ketika energi terus ditambahkan ke komponen dengan menerapkan penggetar gaya pada beberapa frekuensi gaya.
Sejumlah besar kejutan mempengaruhi pegas koil, dan pada tingkat yang lebih tinggi daripada komponen mobil lainnya. Dengan demikian, koil pegas memainkan peran penting dalam kegagalan struktur mobil karena koil pegas menahan sebagian besar
getaran yang dihasilkan dari permukaan jalan;
berkontribusi terhadap kegagalan kelelahan. Masalah yang mungkin terjadi pada koil pegas adalah karena kekakuan dan umur fatik yang rendah [9]. Menurut Das et al. [10], keberadaan tegangan sisa pada komponen mempengaruhi daya tahannya. Jika tegangan yang dihasilkan diulang dalam periode tertentu, peningkatan tegangan kemungkinan kegagalan fatik untuk komponen. Dengan demikian, tujuan dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki efek getaran untuk spring coil otomotif, didorong pada permukaan jalan yang berbeda. Itu hipotesis bahwa permukaan jalan mulus memberikan getaran kecil ke pegas koil, sementara permukaan jalan kasar adalah penyumbang terbesar terhadap terjadinya getaran dan dianggap berkontribusi secara substansial terhadap kegagalan fatigue.
II. Metode dan Bahan
2.1 Percepatan akuisisi sinyal.
Pegas coil depan mobil dengan kapasitas 1.300 cc digunakan sebagai studi kasus untuk pengukuran data.
Ini menggunakan sistem suspensi strut McPherson pasif dengan kekakuan pegas dan rasio redaman adalah masing-masing 18,639 N / m dan 0,95,. Spesifikasi berasal dari manufaturer mobil. Bahan yang dipilih untuk simulasi adalah baja karbon SAE5160 karena umumnya digunakan dalam industri otomotif untuk fabrikasi pegas koil [11].
Sifat mekanik monotonik dari bahan ini ditabulasikan pada Tabel 1.
Analisis statis linear dilakukan untuk menentukan distribusi tegangan pada pegas koil.
Sebuah kekuatan uni-aksial 3,600 N diterapkan pada bagian bawah model komponen dan bagian atas adalah tetap, mengingat berat mobil 10.600 N serta empat penumpang dan beban yang dibawa 3.800 N. Gaya total dibagi oleh empat karena bobot mobil dan penumpang diasumsikan terdistribusi merata ke empat tumpuan. Akselerasi akuisisi sinyal dilakukan dengan menempatkan accelerometer pada komponen. Posisi pemasangan akselerometer dipilih berdasarkan
Table 1. Mechanical properties of the SAE carbon steel:[12]
---
Properties Values
--- Ultimate tensile strLength (MPa) 1,584 Material modulus of elasticity (GPa) 207 Fatigue strength coefficient (MPa) 2,063 Fatigue strength exponent -0.08 Fatigue ductility exponent -1.05 Fatigue ductility coefficient 9.56 Cyclic strain hardening exponent 0.05 Cyclic strength coefficient (MPa) 1,940
51
kemungkinan area stres yang lebih tinggi [13]
berdasarkan analisis elemen hingga. Frekuensi sinyal percepatan diasumsikan diambil sampelnya pada 500 Hz. Mengumpulkan data beban pada frekuensi 500 Hz cukup untuk mendeteksi dan menangkap semua siklus beban yang merusak [14]. Setelah memasang peralatan, mobil kemudian dikemudikan di jalan raya, permukaan jalan perkotaan dan pedesaan dengan kecepatan 70 km / jam hingga 80 km / jam, 30 km / jam hingga 40 km / jam dan 20 km / jam hingga 40 km / jam. , masing-masing. Permukaan jalan dipilih karena itu yang paling umum digunakan di Indonesia. Kecepatan di atas dicocokkan dengan kecepatan mobil rata-rata ketika digerakkan pada kondisi jalan tertentu [4, 15-16].
Gambar. 1 menunjukkan permukaan jalan yang dilalui selama pengukuran.
Gambar 1. Jenis permukaan jalan yang digunakan untuk tujuan perolehan sinyal regangan:
2.2 Pengembangan sinyal regangan
Hukum Hooke, dikembangkan oleh R. Hooke pada 1660 menyatakan bahwa perpindahan x dari objek elastis, seperti pegas kumparan, berbanding lurus dengan gaya pegas
P
sditerapkan padanya. Itu adalah:P
s kx
...(1) dimanak adalah kekakuan pegas. Dengan asumsi batas elastis tidak terlampaui, grafik gaya terhadap ekstensi menghasilkan garis lurus yang melewati titik asal.Gradien garis adalah kekakuan pegas. Saat melakukan percobaan, kekakuan pegas ditemukan berbeda tergantung pada objek dan material. Semakin besar kekakuan pegas, pegas kaku. Semakin lunak pegas dan semakin besar massa, semakin lama periode vibrasi [6, 17].
Pegas tersebut merefleksikan jumlah yang sebanding dengan gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat sistem pegas. Kekakuan pegas memberikan kekuatan pemulih untuk memindahkan massa kembali ke kesetimbangan, dan peredam menentang perpindahan apa pun dari kesetimbangan. Damping biasanya merupakan hasil dari efek kental atau gesekan. Jika gaya tersebut juga sebanding dengan kecepatan, kekuatan redaman Pd mungkin terkait dengan kecepatan
ẋ
oleh:d x
P
d .
... (2) dan koefisien redaman d dinyatakan oleh:km
d 2
... (3)di mana m adalah massa dan
ζ
adalah rasio redaman.Getaran disebabkan oleh ketidaksempurnaan, terutama yang melibatkan operasi dari ban mobil melalui permukaan jalan yang kasar [18]. Karena getaran didefinisikan sebagai gerakan osilasi yang dihasilkan dari berbagai gaya ke struktur, ini melibatkan perubahan posisi atau perpindahan. Kecepatan adalah laju perubahan dalam perpindahan sehubungan dengan waktu yang dapat digambarkan sebagai kemiringan kurva perpindahan. Demikian pula, percepatan adalah laju perubahan kecepatan terhadap waktu, atau kemiringan kurva kecepatan [19]. Perpindahan, kecepatan dan percepatan juga disebut sebagai kejutan atau getaran, tergantung pada bentuk gelombang dari fungsi pemaksa yang menyebabkan percepatan. Fungsi memaksa yang bersifat periodik umumnya menghasilkan percepatan yang dianalisis sebagai getaran. Di sisi lain, input gaya yang memiliki durasi pendek dan amplitudo besar akan diklasifikasikan sebagai beban kejut [20]. Metode yang telah digunakan untuk mengklasifikasikan getaran didasarkan pada derajat kebebasannya, yang merupakan jumlah variabel kinematik independen untuk menggambarkan pergerakan suatu sistem. Sebuah sistem peredam semi massa dengan tingkat kebebasan tunggal dapat dicirikan oleh Gambar 2. Sistem derajat kebebasan tunggal dianggap dalam penelitian dengan asumsi tindakan getaran di setiap suspensi tanpa mempengaruhi suspensi lainnya. Ini menunjukkan hubungan antara empat komponen dasar dari sistem dinamis, yaitu massa, hambatan (pegas), disipasi energi (damper) dan gaya yang diterapkan [19, 21]. Menurut hukum gerak Newton kedua [22], semua kekuatan memiliki kekuatan dan arah. Ketika sistem pegas-peredam massa bergerak sebagai respons terhadap gaya yang diterapkan, gaya yang diinduksikan adalah fungsi dari gaya yang diterapkan dan gerakan dalam masing-masing komponen. Persamaan yang mengatur sistem ini dapat diturunkan dari hukum sebagai:
52 P
P P
P
i
d
s
... (4)Gambar 2. Sebuah sistem massa pegas peredam dan diagram benda bebasnya
di mana
P
adalah gaya yang diterapkan danPi
adalah gaya inersia, yang merupakan gaya yang berlawanan arah dengan gaya percepatan yang bekerja pada Setiap overdot menunjukkan turunan waktu.Persamaan menggambarkan perilaku sistem fisik geraknya sebagai fungsi waktu. Pegas dan gaya redaman proporsional dengan perpindahan dan kecepatan, masing-masing, sedangkan gaya inersia tergantung pada percepatan. Mempertimbangkan diagram benda bebas di Gbr. 2, pegas dan gaya redaman harus menyeimbangkan gaya inersia untuk massa [20]. Termotivasi oleh keberhasilan penelitian yang terkait dengan simulasi sistem suspensi otomotif [4-6, 23-25], penelitian ini menggunakan persamaan gerak sebagai rumus dasar untuk mengembangkan ekspresi matematika untuk menghasilkan sinyal
regangan. Persamaan (6) merepresentasikan persamaan gerak untuk getaran paksa yang teredam. Biasanya, itu dipisahkan menjadi kekuatan internal dan eksternal.
Kekuatan internal ditemukan di sisi kiri persamaan, dan kekuatan eksternal ditentukan di sisi kanan.
Kekuatan eksternal yang diinduksi dari operasi mesin, ban dan sejenisnya memiliki pengaruh pada hasil simulasi, namun, mereka tidak dipertimbangkan karena keterbatasan yang diamati dalam peralatan dan paket perangkat lunak dinamis multi-tubuh. Kekuatan ban, misalnya, diukur selama fase prototipe dan sebagian besar diperkirakan menggunakan model ban dan sensor tambahan. Pengukuran gaya ban melibatkan banyak
sensor untuk ditempatkan
di banyak lokasi karena gaya tidak selalu mengalir dengan cara yang sama untuk manuver yang berbeda.
Dengan demikian, persamaan gerak menjadi getaran bebas teredam, dihasilkan sebagai berikut:
0
d x kx x
m
... (7) Dengan demikian, perpindahan x diturunkan sebagai:k d x m x x
... (8) Diketahui bahwa perpindahan memiliki hubungan yang kuat dengan regangan yang dibebani secara aksial.Strain ε diekspresikan sebagai perubahan panjang ∆L dari panjang L0 asli yang diturunkan dari komponen:
L0
L
... (9)
Untuk mendapatkan perubahan panjang, panjang asli komponen yang tanpa beban diukur. Jumlah massa slotted yang berbeda ditambahkan ke komponen dan panjang barunya diukur setiap kali. Ketika komponen
diregangkan, peningkatan panjang disebut perpanjangannya. Ekstensi atau perubahan panjang ∆L adalah panjang akhir ℓ dikuangi L0 panjang awal yang